基于CAN總線(xiàn)的數據采集人機界面設計

0 引言

目前在鐵路機車(chē)內，模擬表盤(pán)大量存在，它給鐵路運輸的安全管理造成了相當大的不便。使用模擬表盤(pán)有以下缺點(diǎn)：第一，沒(méi)有數據存儲功能，如果發(fā)生事故，就很難得到事故發(fā)生時(shí)的確切信息;第二，需要大量布線(xiàn)、安裝不便。如果在原模擬系統中添加設備，則需要重新布線(xiàn);第三，不能利用成熟的基于數字信號的現代信息處理技術(shù)。對火車(chē)機車(chē)監控系統而言，數據測量和傳輸的快速性、準確性、可靠性、存儲性、通訊的靈活性都是至關(guān)重要的。有必要將機車(chē)內的模擬表數字化和智能化，在此基礎上利用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)構成測控網(wǎng)絡(luò )，完成對機車(chē)內重要數據及時(shí)的采集、傳輸、存儲、顯示、報警。

本鐵路機車(chē)數據平臺采用了CAN總線(xiàn)技術(shù)。選用CAN總線(xiàn)是基于可靠性方面的考慮。CAN總線(xiàn)最初廣泛用在汽車(chē)內部的電子監控上。由于火花塞產(chǎn)生的高頻干擾和發(fā)動(dòng)機產(chǎn)生的機械震動(dòng)都比較強，而CAN總線(xiàn)能在這種工作中可靠的工作，說(shuō)明其具有很強的抗干擾能力。該機車(chē)數據平臺中的智能模塊采用了89C51單片機，其通訊部分使用了CAN控制器SJA1000。CAN總線(xiàn)通信控制器中集成了CAN協(xié)議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括零位的插入和刪除、數據塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等項工作。CAN協(xié)議的一個(gè)特點(diǎn)是廢除了傳統的棧地址編碼，而代之以對通信數據塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可使網(wǎng)絡(luò )內的節點(diǎn)個(gè)數理論上不受限制，數據塊的標識碼可由11位（按CAN技術(shù)規范2.0A）或29位（按CAN技術(shù)規范2.0B）二進(jìn)制數組成，因此可以定義2的11次方或2的29次方個(gè)不同的數據塊。這種按數據塊編碼的方式，還可使不同的節點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數據，這一點(diǎn)在分布式控制系統中非常有用。數據段長(cháng)度最多為8個(gè)字節，可滿(mǎn)足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數據傳送的一般要求。同時(shí)，8個(gè)字節不會(huì )占用總線(xiàn)時(shí)間過(guò)長(cháng)，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。CAN協(xié)議采用CRC效驗并可提供相應的錯誤處理和重發(fā)功能，保證了數據通信的可靠性。

1 機車(chē)數據平臺使用說(shuō)明

1.1原理

機車(chē)數據平臺實(shí)際上是一臺分布式計算機數據采集系統，其中采用了先進(jìn)的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)。機車(chē)數據平臺是將微處理器置入傳統的測量控制儀表，使他們各自都具有了數字計算和數據通訊能力（智能儀表），采用可進(jìn)行簡(jiǎn)單連接的雙絞線(xiàn)等作總線(xiàn)，把多個(gè)測量?jì)x表連接成網(wǎng)絡(luò )，并按公開(kāi)、規范的通訊協(xié)議（CAN總線(xiàn)協(xié)議），在現場(chǎng)儀表和遠程計算機之間，實(shí)現數據傳輸和信息交換。簡(jiǎn)而言之，它把單個(gè)分散的測量設備變成網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，已現場(chǎng)總線(xiàn)為紐帶，把他們聯(lián)系起來(lái)，共同完成自控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò )系統與控制系統?，F場(chǎng)總線(xiàn)使自控系統與設備有了通訊能力，把它們連成網(wǎng)絡(luò )系統，加入到信息網(wǎng)絡(luò )的行列。

本機車(chē)數據平臺采用CAN總線(xiàn)技術(shù)。CAN是控制局域網(wǎng)絡(luò )（Control Area Network）的簡(jiǎn)稱(chēng)，最早由德國B(niǎo)OSCH公司推出，用于汽車(chē)內部測量與執行部件間的數據通訊。眾所周知，現代汽車(chē)越來(lái)越多的采用電子控制裝置。由于這些控制須檢測及交換大量的數據，采用硬接信號線(xiàn)的方式不但煩瑣、昂貴，而且難以解決問(wèn)題，采用CAN總線(xiàn)上述問(wèn)題得到了很好的解決。由于CAN總線(xiàn)本身的特點(diǎn)，其應用范圍已不在局限于汽車(chē)工業(yè)，而向過(guò)程工業(yè)、機械工業(yè)、紡織工業(yè)、農用機械、機器人、數控機床、醫療器械及傳感器領(lǐng)域發(fā)展。

1.2功能

1每秒一次采集各智能表的數據和各開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)。智能表包括電壓表、電流表、壓力表和速度表等;開(kāi)關(guān)量包括繼電器接觸器按鈕的通斷、信號燈的明滅、各種開(kāi)關(guān)和接點(diǎn)的閉合等。

2設定各智能表的上報警限、下報警限和偏差報警限，并在各智能表超出報警限時(shí)發(fā)出報警信息。

1.3性能指標

1可容納54個(gè)智能表和8塊開(kāi)關(guān)量采集卡（每塊16個(gè)開(kāi)關(guān)量）。

2智能表輸入有隔離，隔離電壓5000伏;開(kāi)關(guān)量輸入也有隔離，隔離電壓1500伏。

3智能表接受75mv、10v和110v交直流輸入（按用戶(hù)要求）。

4智能表測量精度2%。

5電源：輸入：70——130V直流/150W

輸出：5V/8A 24V/4A

1.4智能儀表功能

1保留了原指針模擬表的功能，即接受一個(gè)模擬量輸入，并用指針顯示該模擬量的數值，包括電壓、電流、轉速、溫度和壓力等。

2把輸入的模擬量轉化為相應的數字量，隔離后通過(guò)CAN總線(xiàn)發(fā)送給數據采集站，發(fā)送的數據中包括報警（上超限、下超限，偏差超限）信息。

3接受來(lái)自監控報警器的設定信息，包括上超限設定、下超限設定，偏差超限設定。

1.5開(kāi)關(guān)量采集卡的功能、協(xié)議與設定

116路獨立的光電隔離開(kāi)關(guān)量輸入。

2用來(lái)檢測開(kāi)關(guān)、繼電器和電磁閥等的通斷，指示燈的明滅。

3每秒鐘一次將16路開(kāi)關(guān)量狀態(tài)讀入，而后通過(guò)CAN總線(xiàn)發(fā)送給數據采集站。

系統能容納8塊開(kāi)關(guān)量采集卡，總共能檢測到16＊8=128個(gè)開(kāi)關(guān)量狀態(tài)。每塊采集卡需要設定一個(gè)獨一無(wú)二的ID號，范圍限定在55到62。ID號通過(guò)開(kāi)關(guān)量采集卡上的跳線(xiàn)ID設定。ID號按二進(jìn)制編碼，跳線(xiàn)短接為0，反之為1。

1.6監控報警器的功能、校準智能表以及報警限的設定

1.6.1功能

1設定智能表上超限、下超限和偏差超限的量值，并將這些量通過(guò)CAN總線(xiàn)發(fā)送給智能表和數據采集站。

2校準智能表。

3接受來(lái)自數據采集站的報警信息，并顯示報警信息和通過(guò)繼電器觸電輸出報警信息。

1.6.2校準智能表

1壓校準鍵，使進(jìn)入校準狀態(tài)。自動(dòng)顯示接受到的01號智能表的數值（中間值，滿(mǎn)量程=1000）。

2壓切換鍵，而后用鍵盤(pán)輸入要校準的智能表的ID號，壓確認鍵，則顯示該智能表的中間值。

3將該表與用標準表實(shí)際測量到的值比較，確定誤差。

4調節智能表電路板上的電位器VR2消除誤差。

1.6.3報警限的設定

1在校準狀態(tài)下壓切換鍵，而后輸入要設定的智能表的ID號，壓確定鍵后，則顯示該智能表的中間值。

2壓切換鍵，再壓切換鍵，則光標切換到第二行，第二行顯示的數值為存儲的上超限值。

3修改上超限值，而后壓確認鍵，則修改后的上超限值被存儲并通過(guò)總線(xiàn)發(fā)送給智能表和數據采集站。

4壓切換鍵，將光標切換到第三行，第三行顯示的數值為存儲的下超限值。

5修改下超限值，而后壓確認鍵，則修改后的下超限值被存儲并通過(guò)總線(xiàn)發(fā)送給智能表和數據采集站。

6壓切換鍵，將光標切換到第四行，第四行顯示的數值為存儲的偏差超限值。

7修改偏差超限值，而后壓確認鍵，則修改后的偏差超限值被存儲并通過(guò)總線(xiàn)發(fā)送給只能表和數據采集站。

2界面說(shuō)明及流程圖
我們這里用五塊智能表和一組開(kāi)關(guān)量來(lái)說(shuō)明本課題的主要功能：

1每秒一次采集各智能表的數據和各開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)。智能表包括電壓表、電流表和壓力表等。

2設定各智能表的上報警限、下報警限和偏差報警限，并在各智能表超出報警限時(shí)發(fā)出報警信息。

流程圖如圖1所示：

圖1 數據采集界面總流程圖

在這里，將模擬量進(jìn)行如表1設置：

表1模擬量設置

數據采集界面運行圖如圖2所示：

圖2 數據采集界面

由圖2看出，模擬量數據轉換為數字量數據已經(jīng)相當精確;1#、2#、5#數據均在下限～上限之間，均正常運行;11#、13#分別超過(guò)上限、低于下限，均發(fā)出報警警告。

利用CAN總線(xiàn)技術(shù)構成網(wǎng)絡(luò )，利用VB語(yǔ)言設計數據采信人機界面，定現了顯示智能表讀數、開(kāi)關(guān)量數據并在超限時(shí)報警的功能。運行（采集模塊6個(gè)）后表明，性能穩定，采集數據的波動(dòng)幅度小1%，數據準確性令人滿(mǎn)意，充分體現了CAN總線(xiàn)的優(yōu)越性。