冗余CAN總線(xiàn)遠程數據采集系統設計與研究

　1 引 言

　　隨著(zhù)計算機應用技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的推廣及其自身的革新，以工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)為應用背景的網(wǎng)絡(luò )控制系統在業(yè)界被廣泛使用和推廣。CAN總線(xiàn)作為工業(yè)現場(chǎng)串行總線(xiàn)的一種，因其具有較高的位速率和極高的抗電磁干擾能力，能偵測和處理產(chǎn)生的任何總線(xiàn)錯誤，并且具有高可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，在監測和控制系統中倍受青睞。然而傳統的工業(yè)現場(chǎng)遠程數據采集系統主要通過(guò)單總線(xiàn)傳輸，往往因為總線(xiàn)通訊故障而影響系統工作效率，不利于遠程監測和控制，在某些控制領(lǐng)域里甚至存在很大危險，造成難以維護，系統監測數據不連續、難以管理和監測效率低下等缺點(diǎn)。

　　通過(guò)將冗余CAN總線(xiàn)技術(shù)應用到現場(chǎng)遠程數據采集傳輸系統中，采用嵌入式控制方式很好地解決了上述問(wèn)題。

　　2 遠程數據采集系統的組成

　　考慮到工業(yè)現場(chǎng)的環(huán)境比較復雜，為提高系統工作的可靠性和抗干擾能力，本系統設計采用嵌入式智能系統作為數據采集器，以PC104系統作為嵌人式信息處理單元，通過(guò)冗余CAN總線(xiàn)接口開(kāi)放式互聯(lián)的結構組成采集系統。系統的組成框圖如圖l所示。系統由信息處理單元、遠程嵌人式采集器、狀態(tài)顯示、外圍控制和維護接口等輔助接口單元組成，嵌人式信息處理單元和遠程數據采集器配置雙CAN總線(xiàn)接口。

　　嵌入式信息處理單元是該系統的主控單元，是系統信息處理的核心。它主要負責信息的采集和管理，并將采集信息處理后定期送往數據存儲單元和數據顯示單元，同時(shí)解析來(lái)自維護接口的用戶(hù)指令，根據指令要求執行相應的采集器維護命令和主控單元本身的日常維護。遠程數據采集器周期接收信息處理的采集指令，周期性地將采集數據發(fā)給信息處理。系統通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò )接口實(shí)現了與其他網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據交換，可實(shí)現監控數據的共享和信息綜合。維護接口可提供無(wú)線(xiàn)指令響應服務(wù)和現場(chǎng)指令響應服務(wù)，以滿(mǎn)足本地和遠程的系統維護。

圖1 系統組成示意圖

　　3 遠程數據采集系統的實(shí)現

　　本系統的硬件設計重點(diǎn)在于信息處理單元和遠程數據采集器的設計。

　　3．1 信息處理單元設計

　　遠程數據采集系統實(shí)現的關(guān)鍵是對現場(chǎng)傳感器數據的實(shí)時(shí)采集、本地和遠程命令的接收與采集信息的轉換和處理。信息處理單元對數據采集器進(jìn)行正常的運行監視、操作、測量記錄和統計分析、故障運行的監視、報警和事件順序記錄與運行操作，緊急控制、維修狀態(tài)信息處理等功能。

　　信息處理單元采用x86架構的PC104計算機系統和CAN總線(xiàn)接口卡組成。盛博SCM一7020B是一款“all～in—one”PC／104 CPU模塊¨ ，它在板上集成了10／100Base—T以太網(wǎng)接口及高性能圖形處理。采用X86兼容的64位第六代處理器，最高運行速度可達300MHz，外圍接口豐富，同時(shí)配置64MB SRAM和1GB CF卡存儲器，并通過(guò)以太網(wǎng)接口進(jìn)行軟件調試和后期維護。為了實(shí)現雙CAN總線(xiàn)通訊接口，選用盛博SEM／CSD一4 CAN通訊模塊，該模塊集成了2路獨立的CAN控制器SJA1000，同時(shí)還集成4路RS一422串行接口及可配置的8位并行接口，可以直接驅動(dòng)外部的數字接口，滿(mǎn)足系統維護和遠程數據采集器工作模式設置的需求，對后續系統升級都留有較大空間。

　　3．2 遠程數據采集器設計

　　遠程數據采集器設計為以C805 1 F040 3 為處理器的智能采集通訊節點(diǎn)，C8051F040內部集成了數據采集系統所需要的幾乎所有模擬和數字外設，包括ADC、DAC、電壓比較器、定時(shí)器、以及CAN2．0B控制器等，這種高度集成為設計小體積、低功耗、高可靠和高性能的采集系統統提供了方便。系統中遠程數據采集器的硬件結構示意圖見(jiàn)圖2。遠程數據采集器從功能上可分為冗余CAN總線(xiàn)接口、數據采集電路和看門(mén)狗超時(shí)電路，其中看門(mén)狗超時(shí)周期為1．6s。為實(shí)現冗余CAN總線(xiàn)接口，通過(guò)增加一片獨立的CAN控制器SJA1000來(lái)實(shí)現。

圖2 遠程數據采集器硬件結構示意圖

　　3．2．1 采集電路設計

　　采集電路結構如圖3所示，外部模擬信號進(jìn)入采集器后，先經(jīng)低通濾波，對各種干擾信號進(jìn)行一定的抑制后，送入放大器，再進(jìn)入帶有l2位ADC的C8051F040進(jìn)行數據采樣和增益轉換。

圖3 遠程數據采集器不意圖

　　在實(shí)際的工程應用中，由于被采集信號遠離采集器，以致兩者的地電位存在一定的電勢差，不可避免地存在干擾和傳輸網(wǎng)絡(luò )阻抗不對稱(chēng)引人的誤差。因此。測量電路必須選擇有較高的輸入阻抗和共模抑制比的集成運放，同時(shí)可采用差動(dòng)輸入方式和無(wú)限增益電壓負反饋放大。