基于CAN總線的儀器運行監測系統設計

孟群升，郭書軍

（北方工業大學 信息學院，北京 100144）

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，越來越多的智能儀器開始出現在公眾的視野中。智能儀器是將人工智能的理論、方法和技術應用在普通儀器上[1]，而為了實現這種特性或者是功能，智能儀器中一般都具有嵌入式微處理器，實現硬件軟件相結合。并且隨著社會的發展，往往還需要同時間測量不同地點、不同測量量是否工作在正常的范圍內，進行數據收集。所以分布式測量監測系統應用而生，每個設備與主機進行通信，實現數據的收集與設備運行狀態的監測。但是，目前測量監測系統缺乏集成性，大多采用傳統一對一、點到點的傳輸方式，不能夠同時間監測到不同點的數值，無法滿足要求。

圖1 系統拓撲圖Fig.1 System topology

針對測量監測系統存在的以上問題，綜合運用有線通信技術以及嵌入式軟硬件技術，設計一套硬件電路，支持CAN 總線傳輸數據，量程自動切換、數據保存，報警等功能，實現可廣泛應用在工廠電壓監測、設備數據監測的系統。

1 系統方案設計

為了增強系統可維護性，系統采用了模塊化設計思想，減少系統之間的耦合性[2]。各模塊與主控芯片相結合，實現數據的測量、存儲和實時傳輸等功能。

1.1 系統需求

設計中對系統提出以下要求：

1）處理器具有高速運算處理能力，能夠滿足對數據處理與后續開發的要求。

2）具有實時數據傳輸，對多個點的設備可進行同時監測與數據通信。

3）具有記憶存儲功能，可通過設備進行查看，也可通過上位機訪問數據庫進行歷史數據查看。

4）具有擴展機制，預留接口，方便加入擴展設備。

5）具備報警機制，上位機可查看出現問題的設備，進行預警操作。

1.2 總體設計

本文所研究的基于CAN 總線的儀器運行監測系統，以混合MCU-STM32F303 為核心，結合各獨立模塊組成終端設備，實現數據的采集與處理。數據傳輸采用CAN 總線的方式，具有高可靠性、高實時性和配置靈活等特點，在工業控制領域應用非常廣泛。本系統拓撲結構如圖1 所示。

從圖1 可以看出，基于CAN 總線的儀器運行監測系統分下位機和上位機兩部分組成。下位機通過功能切換與量程自動識別實現對各個電參量數據地采集，并通過CAN 總線的方式對數據進行實時傳輸。上位機可同時獲取不同地點的設備的信息，并且上位機可下發指令，實現對下位機的控制與數據監測。

圖2 系統硬件結構框圖Fig.2 System hardware block diagram

2 系統硬件設計

本系統采用STM32F303 主控芯片，對設備進行控制與數據采集，使用了CAN 總線的方式對數據進行傳輸。其中，系統還具有存儲模塊、測量模塊（模擬前端）、按鍵模塊、LCD 顯示模塊、功能選擇模塊、報警模塊和通信模塊。其中，測量模塊中包括直流電壓模塊，交流電壓模塊、直流電流模塊、交流電流模塊、量程自動切換模塊和保護模塊。各模塊之間互不影響，并將各種電參量轉換為STM32 可識別的電壓信號，供STM32 的ADC 進行采集。系統硬件結構框圖如圖2 所示。

2.1 測量模塊

測量模塊中包括直流電壓模塊、交流電壓模塊、直流電流模塊、交流電流模塊、量程自動切換模塊和保護模塊等6 部分組成。

其中直流電壓模塊、交流電壓模塊用一套分壓電阻，模擬開關選用MAX4638 芯片，實現量程自動切換，其內阻小，對測量的準確性影響較小。交直流電壓轉換采用TL082 實現線性半波整流，采用RC 濾波電路，得到處理后的直流電壓值供STM32 的ADC 采集，由于STM32 自帶ADC 輸入內阻小，而電壓分壓器的輸入電阻為1MΩ，造成無法采集到實際數據，所以在ADC 采集前加一級電壓跟隨器，保持輸出電壓的同時，減小輸入電阻，以免造成數據采集不準確。

電流模塊將電流信號通過小電阻轉換為直流電壓信號供ADC 進行采集，量程轉換采用電磁繼電器進行切換，由于模擬開關的輸入電流不宜過大，所以采用電磁繼電器進行量程地切換。

圖3 直流電壓模塊電路圖Fig.3 Circuit diagram of DC voltage module

保護模塊，在ADC 采集管腳與模擬開關輸入引腳前加入鉗位二極管，保證輸入電壓不大于3.3V，以免燒壞芯片。測量模塊中，直流電壓模塊為基礎模塊，任何電信號都要轉換為STM32 可識別的電壓信號進行AD 采集，其中直流電壓模塊電路圖如圖3 所示。

2.2 CAN模塊

STM32F3 系列有CAN 2.0B 通信接口，結合SJA1040芯片實現數據傳輸。通過CAN 總線連接各個網絡節點，形成分布式控制系統。傳輸介質采用雙絞線、同軸電纜或光纖。CAN 總線有兩個ISO 國際標準，本文采用ISO11898的高速CAN 通信協議，屬于閉環總線，傳輸速率可達1Mbps?？偩€拓撲圖如圖4 所示。

節點兩端要加入120Ω 電阻，注意阻抗匹配，否則無法實現傳輸。同時CAN 總線具有硬件過濾機制，配置過濾器可以在硬件上實現是否接收數據，減少主CPU 對軟件處理的負擔。

2.3 電源模塊

電池正極分為兩路，第一路接入到LM1117-3.3 的輸入端，LM1117-3.3 是三端集成穩壓芯片，其輸出端輸出恒定的3.3V 作為單片機的系統電源與基準電壓。另一路接入到LM1117-5.0，其輸出穩定的+5V 電壓。-5V 電壓由LM2663 產生，供給模擬放大器芯片和模擬器件等工作。

3 系統軟件設計

系統的軟件設計主要包括終端軟件編程和上位機C#設計。

圖4 總線拓撲圖Fig.4 Bus topology

圖5 系統軟件流程圖Fig.5 System software flow chart

終端軟件設計：對終端設備進行系統初始化，處理包括識別控制信號和數據采集等工作。主要實現對模擬前端轉換后產生的電壓信號進行ADC 采集與數據處理，得到的數據采用中值濾波算法，減少小部分ADC 采集不準確造成的偏差。數據傳輸由CAN 總線實現，接收以及解析上位機發送的指令，然后按照雙方規定好的協議進行相應的操作。軟件流程圖如圖5 所示。

系統初始化主要包括：按鍵、蜂鳴器、LCD 屏、ADC、EEPROM、USART、CAN、RTC、DSP 等。

圖6 圖形化展示界面Fig.6 Graphical display interface

處理包括監測供電電壓是否過低，過低LCD 提示電量不足。通過功能選擇模塊選擇測量功能，產生控制信號由STM32 識別，進行采集控制。量程模塊選擇合適的輸入電壓，進行AD 采集，如果采集值超出報警閾值，進行報警處理，如果未到報警閾值，檢測是否符合量程設定值，如果采集的值較小，切換到下一量程進行ADC 采集，直到符合采集范圍。采集一定的數據進行軟件濾波處理，得到的結果進行LCD 顯示。同時終端可以通過人為按鍵的方式主動數據上傳，也可接收上位機命令進行數據存儲和數據上傳等工作。

上位機軟件設計：采用主從查詢方式通信。上位機向下位機發查詢命令、下位機針對上位機發來的命令作出相應的動作。如果是查詢數據命令，將響應數據發送給上位機；如果是查詢測量功能命令，則完成查詢功能任務。數據上傳后顯示數據，并將數據保存到數據庫，完成數據記錄和時間記錄；上位機還可查詢歷史數據，添加歷史數據、刪除歷史數據，實時監測數據等功能，通過折線圖的形式直觀顯示，實現監測、報警等操作。圖形化展示界面如圖6 所示。

4 結語

本文所設計的基于CAN 總線的儀器工作監測系統，可廣泛應用在工廠設備監測，電器設備監測等領域。通過CAN 總線傳輸信息，實時性強、可靠性強。本系統還采用了STM32F3 系列，主要應用于模擬測量，電表設計等應用。數據采集處理精度較高、使用方便、成本低等優點，具有廣泛的應用前景。