振动监测系统中CAN总线通信模块设计

1、计算机技术 化工自动化及仪表 , 2006, 33(1:3942Contro l and Instru m ents in Chem ical Industry振动监测系统中 CAN 总线通信模块设计江存胜 , 段建民 , 綦 慧(北京工业大学 电控学院 自动化系 , 北京 100022摘要 : 介绍一种基于 CAN 总线的振动数据采集监测系统 , 重点介绍其 CAN 总线 通信模块的 设计 。 对该振 动监测系统的整体结构 , 通信模块的硬件配置和软件实现思路均作了详细地说明 , 并将设计中重点需要注意的事 项也作了介绍 , 可供同样正在从事 CAN 总线系统开发的同行们交流使用 。 实验表

2、明 , 该装置具有结构简 单 、 可靠 性高的特点 。 关键词 : CAN 总线 ; 振动监测系统 ; SJ A 1000 中图分类号 :TP336 文献标识码 :B 文章编号 :1000-3932(2006 01-0039-041 引 言众所周知 , 在现代工业生产中 , 大型功率设备的应用日益广泛 , 诸如在发电厂、 炼钢厂、 化工应用等场合 , 这样大型功率设备的运行可靠性对工业生产的效率和安全有着十分重大的影响。因此 , 对大功 率设备的运行状态进行有效地监控就显得十分重要。同时 , 由于大功率设备工作环境复杂 , 地域分布广 , 因此面临着空间位置有限、 监测点多、 电磁干扰严重等情

3、况 , 在这种背景下 , 选择现场 CAN 总线来构成参数采集监测系统就显得很有意义。 CAN 总线的数据通信具有很高的可靠性、 实时性和灵活性 ,已成为国际标准化组织 I SO 1998标准。本课题所研究的对象正是化工应用中某型号的大型振动台。为了监测其振动情况 , 我们拟研制一数据采集系统采集各振动参数来监测其工作是否正常。本数据采集系统有四大模块组成 , 即 A /D变换子模块、 DSP 数据算法处理子模块、 FPGA 系统工作流程管理子模块和 CAN 信息通信管理子模块。本文主要介绍其中的 CAN 信息通信管理子模块。该模块采用 CAN总线通信协议与上位机进行通信。2 系统总体结构现场

4、工作时 , 振动台在任一随机时刻可能给数据采集系统一个鉴相信号 , 本系统要能实现对四路现场传感器采集的信号同时各采集 2000个点 , 一共8000个点。根据这 8000个点的数据分别计算其振动参数的有效值、 峰峰值、 1PK 、 2PK 、 FFT 等 , 然后将峰峰值通过 D /A变换输出 , 而其它的参数则经过CAN 总线上传到网络上给上位机。为了增强可操作性 , A /D采样的频率可通过上位机设定 , 实现采样的智能化。根据实际需要 , 我们采用 DSP 实现所需要的算法处理 , 现场可编程逻辑阵列 FPGA 管理整 个系统工作流程 , 单片机加上 CAN 总线控制器和 CAN 总线

5、收发器构成 CAN 信息通信。系统构成如 图 1所示。 图 1 系统结构框图 首先 , 当鉴相信号到来时 , FPGA 启动 A /D变 换 , 变换好的数据被存贮于图中的 DPRAM 1, FP GA 对这些数 据进 行初 步处 理 , 然后 把这 些数 据从 DPRAM 1转移到自己的内部 RAM, 并通知 DSP 取走 这些数据。 DSP 取走这些数据后进行算法处理 , 得 到各结果 , 诸如有效值、 峰峰值、 1PK 、 2PK 、 FFT 等 ; 接着 DSP 将峰峰值通过 D /A变换输出 , 其它的结果 放入另一个双口 RAM, 如图 1中的 DPRA M 2。当上 位机通过总线

6、告诉系统需要现时刻的参数结果时 , 上位机可通过图中的 CAN 模块给单片机发信息 , 单 片机收到信息后给 FPGA 发一需要上传新数据的信 号 , FPGA 就从 DP RA M 2中取出数据发送给单片机 , 单片机再通过 CAN 模块发送到网络上传给上位机。 应注意的是 , A /D采样频率可由上位机设定 , 当上位 收稿日期 :2005-10-30机设定后 , 通过总线发送给单片机相应的信息 , 单片 机再将该信息告诉 FPGA, FPGA 根据从单片机中接 受的数据信息设置相应的 A /D采样频率。从上可以看出 , 整个系统设计简单 , 通信流程十 分清晰。系统可扩展性好 , 可应用

7、于很多数据采集 场合。之所以采用 DPRAM 1, DPRA M 2是因为当系 统还未处理完新数据 , 鉴相信号又来时可将新信息 以 F I FO 的形式保存在里面 , 不会造成丢失现象。 3 CAN 总线信息通信模块节点的硬件实现如上文所说 , CAN 总线信息通信管理模块正是 本系统的四个有机子模块之一 , 本节主要介绍其硬 件实现。本信息模块实际上是一个 CAN 总线节点。 CAN 节点的硬件设计主要是 CAN 总线通信控制器 和微处理器的接口电路设计 , 以及 CAN 总线收发器 和物理总线之间的接口电路设计。 CAN 总线通信 控制器是该模块的核心部分 , 它负责 CAN 总线的通

8、信协议 , CAN 总线收发器则是负责信息的差动发送 和接受 , 增大通信距离 , 提高系统的抗干扰。当上位机给本系统发送命令信息时 , 通过总线 发送给系统的总线收发器 , 它将信息传给 CAN 总线 控制器 , CAN 总线控制器再将数据发送给单片机。 单片机需要发送数据时流程正好相反。我们采用 P HL I P I S 的 89C58单片机 , 该单片机 内部具有 256字节的 RA M 和 32K 的 EEP RO M 。由 于需要上传的只是 D SP 算法处理后的结果 , 数据量 并不大 , 为了使系统结构变得简单 , 我们直接利用该 单片机内部的 RAM 存这些数据 , 而没有外扩

9、 RA M 。 CAN 总 线 控 制 器 选 用 P HL I P I S 的 SJ A1000。 SJ A1000是一个独立的 CAN 总线控制器 , 它完成 CAN 总线协议的实现。 SJ A 1000独立的 CAN 控制 器有 2个不同的操作模式 :Basic CAN 模式和 PCA 82C200兼容Peli CAN 模式Basic CAN 模式是 SJ A 1000上电后默认的操作 模式。因此用 PCA 82C200开发的已有硬件和软件 可以直接在 SJ A 1000上使用而不用作任何修改 ; Pe-l i C AN 模式是新的操作模式 , 它能够处理所有 CAN 2. 0B 规范

10、的帧 类型 而且 提 供了 一 些增 强 功能 使 SJ A1000能应用于更宽的领域。CAN 总线收发器采用 82C250, 它提供差动发送 和接受能力。它的输出端分别定义为 CAN _H和 CAN _L。在发送和接收隐性位即逻辑 1 电平时 , CAN _H 和 CAN _L上的输出电压都是 2. 5V , 因此差动电压 V diff =VCAN_H-VC AN _L=0; 而在发送和接收显性位即 0 电平时 , CAN _H 输出电压是 3. 5V, CAN _ L 上的输出电压是 1. 5V, 因此差动电压 Vdiff为 2V 。 CAN 总线电压波形与逻辑电平定义如图 2 所示。图

11、2 CAN 总线电压波形与逻辑电平定义该系统还预留了键盘和液晶显示屏的接口 , 增 强系统的人机交互能力。在硬件设计时有几个需要注意的事项 :(1 物理总线终端匹配电阻最好用跳线实现 , 这样当系统中有多个子节点时 , 不需要终断匹配电 阻的节点可通过跳线设置屏蔽终端匹配电阻。 (2 在 CAN 总线控制器 SJ A 1000和 CAN 总线 收发器 82C250之间最好用光耦隔离 , 提高系统的抗 干扰性。光耦隔离部分所采用的电源 VCC 和 +5V 要用隔离的独立电源 , 否则光耦就失去隔离作用。 该设计中隔离的 5V 电源用 DCP010505模块实现。 (3 控制器访问 SJ A 10

12、00可以用中断方式和查 询方式 , 为了缩短程序响应的时间 , 提高工作效率采 用中断方式比较好 , 本系统中将 SJ A 1000的 I NT 和 89C58的 I NT 0相连 , 这样可以通过中断方式访问 SJ A 1000。(4 由于 SJ A 1000和 FPGA 对于单片机来说都 是外部扩展数据存贮器 , 因此需要注意地址选择。 该设计中用 74LS138地址译码器来实现该地址选择 功能。对应于图中所示的电路 , SJ A 1000的地址范 围是 :外部存贮器的 0000H 到 1FFFH, 而 SJ A 1000实 际使用的有效地址只有 256个字节 , 即 SJ A 1000实

13、 际使用的地址是 0000H 到 00FF H; FP GA 的地址范 围是 :外部存贮器的 2000H 到 3FFF H 。这样分别访 问 SJ A1000和 FPGA 时不会产生地址冲突。4 CAN 总线信息通信模块软件实现在 CAN 总线构成的系统中 , 用户要自己编写应 用层和用户层软件。用户层的功能是实现所要求的 控制策略。应用层则是在用户层和 CAN 接口之间 建立报文发送的方法 , 信号电平和协议。它定义了 报文的结构和意义。CAN 通信协议的实现 , 包刮帧的发送和接收 , 都是在应用层完成的。因此应用层软件的开发是设 计的核心部分。即 CAN 控制器 SJ A1000和单片机

14、 之间的数据发送和接收程序。该数据发送过程是单片机将要发送的数据发送到 SJ A 1000的内部发送缓冲器中 , SJ A1000通过 CAN 总线收发器 82C250将数据发送到 CAN 总线网络上 ; 数据接受过程则是当SJ A1000接收到数据之后就将其放在接受缓冲器中 , 通过中断告诉单片机从接受缓冲器中将数据取走。 CAN 总线节点的软件通信程序以模块的方式实现 , 由主模块、 中断处理模块和数据通信模块等组成。主模块的功能是完成初始化、 寄存器的配置、SJ A1000的初始化等 ; 中断处理模块的功能是数据中断、 发送、 接受、 错误处理和报警处理等 ; 而数据通信模块完成数据请求

15、、 发送和接收等。 SJ A1000初始化主要包括工作方式设置、 时钟分频器的设置、 接受滤波方式的设置、 验收代码寄存器和接受屏蔽寄存器的设置、 波特率的设置、 输出控制器和中断容许寄存器的设置等。软件流程结构图如图 3 所示。 图 3 软件结构流程图 下面给出初始化 SJ A 1000的程序 :vo i d confi g1( /对 SJ A 1000进行初始化 E A =0; /关中断 XBYTE0x0000=0x61; /复位模式 XBYTE0x001F =0x3; f /cl ock divider , 开启中断 XBYTE0x0004=0x11; /验收码寄存器设置 XBYTE0x

16、0005=0xFF ; /AcceptM ask R eg i ster 设置 XB YTE0x0006=0x03; /BusT m i i n g 0波特率为 125Kbps XBYTE0x0007=0x1C ; /时钟周期的设置 XBYTE0x0008=0xF A; /输出控制寄存器 EA =1; EX 0=1; I T0=1; /中断为低电平激活 本系统和上位机的通信协议采用类似 CANO -pe n 协议的方式 , 即 I D 由四位功能码和七位地址码组成。这样可有利于本系统和其它系统的兼容。 本软件设计是基于 KEI L C51编写的 , 在伟福仿 真器 E6000/L上进行仿真。并

17、应用于该振动数据采 集系统上获得通过。 5 系统调试 在开始调试时 , 系统总是发送不成功 , 经过多次 查阅资料和检查后才发现 CAN 总线单个系统发送 是无法成功的。它需要其它 CAN 节点的存在才能 正常工作。于是购买了 CAN232卡 , 该卡相当于一 个 CAN 节点 , 它将接收到的 CAN 信息转换成 RS232发送给计算机 , 然后将计算机要发送的信息转换成 CAN 信息帧发送给系统的 CAN 节点。通过使用本 模块和 CAN232卡构成一个 CAN 总线网络。此时 系统就可以正常发送信息了。 在正常发送之后 , 系统又出现一个新的问题。那就是系 统发 送一 帧信 息后 , 通

18、 过上 位机 观察CAN 232卡的接收结果发现该卡不断的重复接受该帧信息。才发现程序仅在中断内部有释放发送请求命令 , 而在中断处理完成后没有释放发送请求命令 ,尝试在中断之后加上释放发送请求命令 , 再通过上位机观察果然通信正常。由于本系统需要上传的信息较多 , 而 CAN 一次最多只能接受 8个字节的有效数据 , 因此为了实现将众多信息全部上传 , 就需要分成多帧发送 , 但发现每次 CAN232卡只能接受到前 25帧信息 , 后面的帧信息就丢失了。因为 CAN232卡采用的是串行 232方式 , 上传的速率较慢 , 因此会产生丢失信息现象。在每 25帧信息之后加上一条延时指令 , 再调

19、试时发现问题解决了 , 至此系统联调基本完成。6 结束语对于工业应用现场来说 , 相应检测设备的可靠性和响应速度是判别系统好坏的一个非常重要的指标 , 而基于 CAN 总线构成的网络用于现场数据通信可以实现非常高的可靠性和实时性 , 因此 , 将 CAN总线引入工业应用现场检测系统中有着重大的实际应用价值。本课题开发的基于 CAN 总线的振动采集检测系统的模块结构简单 , 具备良好的可维护性和扩展性 , 简化了系统安装 , 调试和维修过程 , 对于工业现场实现状态监控和安全管理具有重要的应用价值。 Design of Co mmunication M odule of t he L ibrat

20、i on M onit oring Syst e m B ased on CAN Bu sJI ANG Cun -sheng , DUAN Jian -m i n , Q I Hui(Depart m ent of Auto mation, School of E lectronic Infor mation&Control Engineering,B eiji ng University of T echnology , B eiji ng 100022, ChinaAbstract :A kind of desi gn for co mm un icat i on module of th

21、e li brat i on data mon itori ng syste m based on CAN bus is i n -tr oduced . The design of t he co mmun i cat i on m odule based on CAN bus is stressed . The i ntegrated architect ure of this syste m, hard w are configuration and soft w are design of the co mmun i cat i on module are d i scussed .

22、T he deta ils of the de -sign should be pay attenti on to are presented . Experm i e nt proves t h ismodule is sm i ple and reli able .K ey words :CAN bus ; li brated i nspect syste m; SJ A 1000(上接第 38页 本程序占用大量 CP U 时间 , 影响整个系统的性能。 再者 , 为了使在线调试时间缩短 , 尽快投入运行 , 利 用了 W i nCC 变量模拟器工具 , 对外部标签进行了离 线模拟 , 在

23、线调试主要是进行数据的精确调试。在 对比较复杂的脚本进行调试借助了全局脚本诊断应 用程序窗口 , 将调试信息直接输出到该窗口。5 结 论组态软件二次开发系统应用 , 一方面可以缩短 开发周期 , 加快开工进程 ; 另一方面则可以降低后期 维护与修改成本 ; 再者监控系统适应性强、 扩展性 好 , 稳定性高。灵活、 友好、 形象、 统一、 简洁的监控 系统方便了用户操作 , 经过长时间的运行 , 系统可 靠、 平稳 , 效果好 , 提高了过程控制与管理的水平 , 也 提高了工作效率。在设计如大型腈纶生产线系统的组态监控软件 时 , 不可盲目着手设计 , 而应该对系统的规模、 系统 设计原则、 系

24、统任务与用户的需求结合起来 , 这样设 计的软件用户才能很方便地使用 , 减小实际应用的 软件系统与用户理解上的差异。参考文献 :1 邹 彤 . W i nCC 组态软件的编 程技巧 J.化工自 动化及仪 表 , 2001, 28(2:63-64.2 刘荣兵 . W inCC 在我厂 DCS 系统中的应用 J.自动化与仪 器仪表 , 2001, 6:53-55.3 卢建华 . 使用 W i nCC 实现过程监控 J.武汉科技大学学报 (自然科学版 , 2000, 23(1:76-79.4 石红瑞 , 刘 玺 , 刘 勇 , 等 . 二次 开发 W i nCC 嵌入 模糊控 制算法 J.石油化工

25、自动化 , 2000, 1:39-41.5 郑学明 . V i sual C+基础类库参考 大全 M.北 京 :学苑出 版社 , 1994.6 邹益仁 , 马增良 , 蒲 维 . 现场 总线控制 系统的设 计与开发 M.北京 :国防工业出版社 , 2003.7 M i cros oft Corporati on . M icrosoft VBA SDK6. 2Tool k it , H el per K.2000.8 胡 春 , 李 平 . 连续 工业 生 产与 离 散工 业 的 M E S 比较 J.化工自动化及仪表 , 2003, 30(5:1-4.Research on W i nCC

26、-based SCADA Soft ware f or Acrylic Fibres FilatureWANG Q ing -chao , HU L-i kun(Schoolof A stronautics , H arbin Instit ute o f technology , H arbin 150001, ChinaAbstract :A ccordi ng to the desi gn questi on of SCADA soft ware for the large -scale petroche m ical product li ne , a desi gn m ethod

27、based onW i nCC is given . U si ng C /C+scri pt , run -tm i e dyna m i c pr ocessi ng and reci pe opt m i izat i on al go -rith m are m i ple mented . I ntegrated pri nt and picture hotkey s w itch are c o mpleted accordi ng to user s specific require -m e nts . The m ethods o f database access are presented for querying historical data and recipe data . U si ng DDE and OPC , data are shared w it h other nodes . Th i s m ethod has bee n applied to the product li n