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基于CAN总线的分布式网架健康状态监测系统的设计

2006年03月11日 13:22 次阅读

摘要:针对某网架安全监测的需要设计了分布式健康状态监测系统,介绍了在分布式系统中利用控制器局域网(CAN)组建分布式通信网络模块的方案。详细阐述了基于CAN总线控制器SJAl000的采集系统设计方案及具体的硬件电路设计,并解决了在软件设计中容易碰到的问题。

在某大网架结构的建筑中,由于网架结构的特殊性及其所处地理位置在沿海台风多发地带,因此需要设计高速数据采集系统对网架结构的健康状况进行实时监测,并对数据进行实时分析和评估。由于需要对网架上受力情况进行多点监测,考虑到硬件集中控制扩展能力差且在现场施工有较大的布线困难,因此本系统采用目前广泛应用的分布式系统设计方案,将各个控制单元分布在现场各采集点上。为了实现分布式系统的监测与控制功能,需要建立良好的通讯方式,以完成系统主机与各智能单元之间的信息交换与通信。根据本数据采集系统的特点,其通信系统应具有良好的可靠性、适应性、可扩展性和简单的连接方式,并能满足长距离传输的需要。由于此数据采集系统节点数多(100路)、对信号传输速度要求高且误码率低,利用485总线搭建数据采集系统的传统方式,其最大控制结点只能有32个,在超过lkm的布线结构中传输速度只有lOOkbps,且“数据碰撞”和“死锁”等问题不易解决,因此采用485总线显然达不到设计要求。

    相对于传统的485总线来讲,控制器局域网CAN(Controller Area Network)作为现场总线的一种,以其分时多主、非破坏性总线仲裁和自动检错重发等灵活、可靠的通信技术解决了485总线现场调试困难、开发周期长等问题[1]。尤其在较为艰苦的安装环境中,其高效的现场调试性能显得尤为实用。作为一种分散式、数字化、双向多点、具有高速率高可靠性特点的通信系统,CAN可以构建灵活的多主通讯机制,也可以建立主从式结构,而且这两种方式下的硬件物理联接完全相同。其自动进行数据编码、CRC冗余校验、出错自动重发的功能保证了数据的准确率,某一节点严重出错时能自动脱离总线保证了系统的稳定性,且其具有极强的带负载能力,可驱动多达110个节点,可满足本系统高速、精确、多负载的要求。

1 采集卡硬件电路的设计

1.1 CAN总线分布式系统结构设计

系统结构如图1所示。本系统由上位监控PC机、CAN总线适配卡和控制单元三部分组成。上位监控PCs机采用IBM-PC兼容机,主要负责对系统数据的接收与管理、控制命令的发送以及各控制单元动态参数和设备状态的实时显示;CAN总线适配卡可以使PC机方便地连接到CAN总线上;控制单元以单片机为核心,主要负责对现场的环境参数和设备状态进行监测,对采集来的数据进行打包处理并将处理过的数字信号通过CAN通信控制器SJA1000送入CAN总线。

1.2 控制单元模块设计及关键问题的解决

控制单元的主要功能是将现场采集的模拟信号转换成数字信号,通过CPU处理后再由CAN总线控制器打包送上CAN总线以便上位机接收处理;接收上位机控制信号,实现现场控制的具体操作。具体需要解决的问题为:①CAN模块设计;②A/D模块设计。

1.2.1 CAN模块设计

控制单元以8位单片机AT89C51为核心,选用器件SJA1000作为CAN控制器,并选用芯片82C250和6N137作为CAN控制器接口和光耦隔离。硬件电路如图2所示。

系统采用的CAN总线通信控制器SJA1000是PHILIPS公司生产的一种独立式CAN器件,其原理框图如图3所示。它与CAN2.OB相兼容[1],同时支持11位(BasicCAN模式)和29位(PeliCAN模式)识别码。

图2中AT89C51单片机的ALE、WR、RD端分别控制SJA1000的ALE/AS、WR、RD端,地址和数据线ADO~AD7由P0口分时复用实现。SJA1000的中断请求信号INT在中断允许且有中断发生时,由高电来此跳变到低电平,所以INT和AT89C51的INT0直接相连。片选信号CS由GAL译码电路控制,当CS接到低电平时,SJA1000被选中,CPU可对SJA1000进行读/写操作。为了增强控制节点的抗干扰能力,防止线路间串扰,SJA1000通过光耦6N137与82C250相连,从而使总线上各个CAN节点之间实现隔离,以保护CAN控制器正常工作。82C250是CAN总线收发器,是CAN控制器SJA1000正常工作与CAN总线的接口器件,对CAN总线以差分方式发送。其引脚RS用于选择82C250的工作模式(高速、斜率控制或等待)。RS脚接地,82C250工作于高速方式,RS脚串接一个电阻R后再接地,若82C250处于CAN总线的网络终端,总线接口部分必须加一个120Ω的匹配电阻,以保护82C250免受过流的冲击。

1.2.2 A/D模块设计

A/D芯片选用12位高速采集芯片AD574。在本设计中,A/D模块的功能是将外部模拟信号通过AD574转换成数字信号后并行输入到AT89C51,然后AT89C51将其打包,并行输出至CAN总线通信控制器SJA1000,经总线收发器至CAN总线。其监控电路采用DS1232,它具有电源监控、手动复位和看门狗功能,还能同时输出高低电平的两路复位信号,分别输出至AT89C51和SJA1000的复位端,以满足本次设计的要求。

2 软件设计

本健康监测系统要求软件部分具有现场数字信号显示、检测并驱动现场信号设备等功能。在本设计中主要完成两部分任务:第一是PC机部分的上位机显示,主要通过集成开发环境软件设计出上位机监视显示界面,其重点在于PC机与现场节点间的通信;第二是现场节点控制设计,即设备驱动功能的实现,目的是能接收上位机的控制信号,使现场节点按既定的工作方式工作。

根据系统的工作要求,工作重点包括CAN总线通信程序、看门狗的初始化、A/D采样控制程序、执行机构控制程序和控制算法等,主要流程如图4所示。限于篇幅,这里着重介绍SJA1000初始化程序设计、发送程序设计、接收程序设计以及A/D转换程序的设计。

2.1 SJA1000初始化设计

初始化流程图如图5所示。AT89C51上电或复位后,调用复位程序给SJA1000的复位端(RST)提供复位信号,使SJA1000进入复位模式。SJA1000的初始化只有在复位模式下才可以进行。初始化程序主要完成以下寄存器的设计:(1)通过对SJA1000的时钟分频寄存器定义,判断是使用BassicCAN模式还是使用PeliCAN模式;是否使能CLOCKOUT及输出时钟频率;是否使用旁路CAN输入比较器;TX1输出是否采用专门的接收中断。(2)通过写验收码寄存器和验收屏蔽寄存器定义接收报文的验收码,以及对报文和验收码进行比较的相关位定义验收屏蔽码。(3)通过写总线定时寄存器定义总线的位速率、位周期内的采样点和一个位周期内的采样数量。(4)通过写输出寄存器定义CAN总线输出管脚TX0、TX1的输出模式和输出配置。(5)清除SJA1000的复位请求标志,进入正常工作模式,这样SJA1000方可进行报文的发送和接收。

2.2 发送和接收程序设计

单片机将要发送的报文送到SJA1000的发送缓冲区,然后将SJA1000命令寄存器的发送请求标志位(TR)置位,发送过程由SJA1000独立完成。在新报文写入发送缓冲区之前,必须检查状态寄存器的发送缓冲器的状态标志位(TBS),若为“1”,则发送缓冲器被释放,可将新的报文写入发送缓冲器;否则,发送缓冲器被锁定,新的报文不能被写入,发送程序可以采用中断方式和查询方式。在本次设计中,采用的是查询方式。

报文的接收也是由SJA1000独立完成的。收到的报文通过接收滤波器存放在FIFO中,第一条报文进入接收缓冲器,由状态寄存器的接收缓冲器状态标志位(RBS)和接收中断标志位(RI)标出。单片机从接收缓冲器取走一条报文后,要通过置位SJA1000的命令寄存器来释放接收缓冲器。在本次设计中,接收程序的设计采用的是中断方式。

    2.3 A/D转换设计

在本次设计中采用的是12位逐次逼近型A/D转换器AD574。以查询方式设计程序,通过连续查询A/D转换结束标志位判断转换是否结束。当转换结束时,将数据送人CPU中进行处理,并将处理后的数据保存至6264芯片。

基于CAN总线设计的高速分布式数据采集系统具有一定的使用价值,而且价格低廉、可靠性高。同时系统还具有可扩展性,在需要多通道采集的情况下只需添加少量的采样保持芯片即可。通过对该总线系统的通信能力进行测试,并将上述系统置于强干扰环境中进行连续实验,发现使用的通信速率完全可以保证数据的实时可靠传输,其通信效果完全满足要求,同时上位机和底层节点也能够保证相互间的协调工作。

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差压变送器在监测系统中的应用与故障处理

差压变送器是一种将压力差转换成直流标准信号的远传压力测量仪器,广泛应用于工业生产和科学研究,是获取、...

发表于 2017-08-09 10:09 197次阅读
差压变送器在监测系统中的应用与故障处理

CAN为什么会发送失败

CAN总线调试过程中出现报文发送失败,很多工程师都对此只知其一不知其二,这里就CAN报文发送失败的问...

发表于 2017-07-19 18:47 2986次阅读
CAN为什么会发送失败

CAN总线波形中为什么ACK电平偏高?

CAN总线一直以实时性强、传输距离远、抗干扰能力强、数据保证到达等特点而广泛应用于高可靠性的场合。但...

发表于 2017-07-05 15:08 1074次阅读
CAN总线波形中为什么ACK电平偏高?

CAN现场处置的“法宝”

近年来,CAN总线凭借优秀的抗干扰能力及通讯仲裁机制得到越来越广泛的应用,虽然CAN总线技术资料比较...

发表于 2017-05-24 17:41 714次阅读
CAN现场处置的“法宝”

增加CAN总线节点数量几个方法

常规CAN收发器支持的节点数最多为110个,但实际使用时需要合理的布局组网, 选用合适的收发器、线缆...

发表于 2017-05-17 17:48 1493次阅读
增加CAN总线节点数量几个方法

CAN诊断功能-禁止肯定相应位

发表于 2017-05-10 23:33 749次阅读
CAN诊断功能-禁止肯定相应位

CAN总线标准接口与布线规范

工业4.0时代已经到来,基于自主优先级仲裁和错误重发机制的CAN总线应用十分广泛,相同的各种总线故障...

发表于 2017-05-10 15:38 2578次阅读
CAN总线标准接口与布线规范

神马是CAN总线?CAN总线抗干扰6要素是什么?

CAN 是Controller Area Network 的缩写(以下称为CAN),是ISO国际标准...

发表于 2017-04-28 09:41 2268次阅读
神马是CAN总线?CAN总线抗干扰6要素是什么?

CAN总线抗干扰 6条“军规”

随着CAN总线在电动汽车、充电桩、电力电子、轨道交通等电磁环境比较恶劣的场合应用越来越多,信号干扰的...

发表于 2017-04-27 15:06 1582次阅读
CAN总线抗干扰 6条“军规”

急,labview仿真CAN

发表于 2017-04-12 18:03 682次阅读
急,labview仿真CAN

CAN应用层协议详解之DeviceNet协议

DeviceNet是基于CAN总线技术并符合全球工业标准的开放型通信网络。定位于工业控制的设备级网络...

发表于 2017-04-12 17:37 1382次阅读
CAN应用层协议详解之DeviceNet协议

小电阻之大作用“CAN终端电阻”

CAN总线终端电阻,顾名思义就是加在总线末端的电阻。此电阻虽小,但在CAN总线通信中却有十分重要的作...

发表于 2017-03-23 10:37 1759次阅读
小电阻之大作用“CAN终端电阻”

如何提高CAN总线接口防护设计的可靠性?

随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展,传统的工业控制领域正经历着一场前所未有的变革,而工业控制的...

发表于 2017-03-09 16:35 798次阅读
如何提高CAN总线接口防护设计的可靠性?

三分钟了解最新CAN FD协议

CAN FD(CAN with Flexible Data-Rate)协议继承了CAN总线的主要特性...

发表于 2017-02-22 17:44 3385次阅读
三分钟了解最新CAN FD协议

DTU产品在桥隧监测系统中的应用

桥梁的应变监测系统中主要的部分就是桥梁应力信号的采集控制,通过对桥梁结构的应力监测系统特点进行详细分...

发表于 2017-01-19 14:26 433次阅读
DTU产品在桥隧监测系统中的应用

改善CAN电磁兼容性的措施

随着CAN技术的不断发展,其应用领域已经不局限于汽车制造,而在工业设备、工业自动化等领域也得到了广泛...

发表于 2017-01-19 13:59 1444次阅读
改善CAN电磁兼容性的措施

有关MC9S12SX128 (112硬件)芯片CAN总线滤波器设置的疑问

发表于 2017-01-14 16:59 2017次阅读
有关MC9S12SX128 (112硬件)芯片CAN总线滤波器设置的疑问

金升阳推超小体积CAN/CANFD隔离收发模块T...

金升阳近期推出高性价比、超小体积CAN隔离收发模块——TD301MCAN/TD501MCAN系列,是...

发表于 2017-01-03 14:33 598次阅读
金升阳推超小体积CAN/CANFD隔离收发模块T...

高铁中的CAN总线网络转换-CPCI接口CAN卡

CAN总线因为它的传输速率快,不容易出错等等特点被广泛的应用在高精度行业,作为铁轨上的最强者,高铁也...

发表于 2016-12-29 10:12 692次阅读
高铁中的CAN总线网络转换-CPCI接口CAN卡

CAN转wifi改善测试环境

为了验证汽车、动车、地铁的功耗、加速度、刹车等性能,往往要往车里放一些沙袋等。在实验完成之后车里到处...

发表于 2016-12-21 11:25 693次阅读
CAN转wifi改善测试环境

有没有人详细使用过过CANPro软件啊,怎么用软件建一个DBC协议,然后解析CAN上的发送的协议啊了,最好有个详细点的教程

发表于 2016-12-18 19:54 4852次阅读
有没有人详细使用过过CANPro软件啊,怎么用软件建一个DBC协议,然后解析CAN上的发送的协议啊了,最好有个详细点的教程

嵌入式UART转CAN应用案例

在如今CAN总线应用越来越广泛的今天,很多人都开始学习使用这一技术,但是由于CAN总线协议的复杂度,...

发表于 2016-12-15 14:13 851次阅读
嵌入式UART转CAN应用案例

长时间CAN数据记录的解决方案

经常有人问到:“我想长时间记录CAN数据,有什么办法可以实现?”这里说一说几种长时间记录CAN数据的...

发表于 2016-11-16 15:04 795次阅读
长时间CAN数据记录的解决方案

详解CAN总线信号传输位定时与位同步

CAN协议与其它现场总线协议的区别中有一个是:它使用同步数据传输而不是异步传输(面向字符)。这意味着...

发表于 2016-08-16 16:56 758次阅读
详解CAN总线信号传输位定时与位同步

3分钟了解汽车三大总线CAN,LIN,Flexr...

随着新能源汽车列入国家加快培育和发展的七大战略性新兴产业,汽车的智能化、数字网络化、节能化成了汽车发...

发表于 2016-02-17 11:02 24071次阅读
3分钟了解汽车三大总线CAN,LIN,Flexr...

如何进行汽车CAN总线开发?

CAN总线和基于CAN总线的诊断完全不是一个概念,CAN总线的硬件也不一定是OBD的硬件。至于“多去...

发表于 2016-01-27 09:58 6198次阅读
如何进行汽车CAN总线开发?

CAN总线技术详解

20世纪80年代,Robert Bosch 公司在 SAE(汽车工程协会)大会上介绍了一种新型的串行...

发表于 2016-01-20 17:15 4340次阅读
CAN总线技术详解

基于CAN总线的旋转编码器采集模块设计

本文针对旋转编码器在工业现场中的应用,基于LPCI768硬件平台,设计出一种旋转编码器采集模块,该模...

发表于 2016-01-19 10:00 1606次阅读
基于CAN总线的旋转编码器采集模块设计

基于CAN总线的行车记录仪设计

本文探讨基于CAN总线的行车记录仪设计和实现,详细阐述了系统的整体结构、硬件电路设计、软件设计流程。...

发表于 2016-01-07 10:16 1770次阅读
基于CAN总线的行车记录仪设计

基于CAN总线的数据采集记录装置设计

 现场总线作为生产现的场数据通信与控制的网络技术,在测量控制领域随着信息技术的发展已得到广泛的应用。...

发表于 2015-12-15 09:54 1696次阅读
基于CAN总线的数据采集记录装置设计

如何评测CAN波形抖动是否违规?

总线通讯系统中,每个节点的信号质量都直接影响了整个总线的通讯质量,所有保证每个节点都具备高度一致的信...

发表于 2015-10-21 16:59 1257次阅读
如何评测CAN波形抖动是否违规?

CAN总线布线规范

 所谓磨刀不误砍柴功,合理的总线布局布线等于成功的一半,那么总线布线时如何选取导线?如何选取布线拓扑...

发表于 2015-10-07 19:09 4151次阅读
CAN总线布线规范

如何进行CAN节点信号特征测试

  CAN总线设计规范对于CAN节点的差分电平位信号特征着严格的规定,如果节点的差分电平位信号特征不...

发表于 2015-10-07 19:00 2328次阅读
如何进行CAN节点信号特征测试