基于CAN總線(xiàn)的分布式熱電阻智能節點(diǎn)的設計
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1 引言
現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是當今自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)，德國bosch公司的can是為解決汽車(chē)內部的復雜硬信號接線(xiàn)提出的，而其應用范圍正逐漸向過(guò)程控制、機器人、數控機床、醫療器械及傳感器等領(lǐng)域發(fā)展。can總線(xiàn)以其獨特的設計、低成本、高可靠性、實(shí)時(shí)性、抗干擾能力強等特點(diǎn)得到了廣泛的應用。本文選用can總線(xiàn)設計了分布式熱電阻智能節點(diǎn)，利用can總線(xiàn)連接各個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，可以直接與主控卡或上位機通信，組建成工業(yè)網(wǎng)絡(luò )分布式測控系統。
2 熱電阻智能節點(diǎn)硬件設計
2.1智能節點(diǎn)整體結構
本熱電阻智能節點(diǎn)設有4路輸入通道，支持3線(xiàn)制方式，支持熱電阻類(lèi)型有cu50、cu100和pt100，采用freescale mc9s12d64單片機作為微控制器，其內部有一個(gè)can通信模塊（mscan），符合can2.0a/b標準，所以不需要擴展can通訊控制器。can接口收發(fā)器采用pca82c250作為can通信模塊和物理傳輸線(xiàn)路之間的接口。節點(diǎn)通過(guò)24位a/d轉換器ads1216對組態(tài)通道進(jìn)行采樣，由于熱電阻的阻值與溫度成正比關(guān)系，需將已知電流流過(guò)該電阻以得到與溫度成正比的輸出電壓。本文使用ads1216的兩個(gè)8位電流輸出idac1和idac2作為恒流源，通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)max355選通相應的組態(tài)通道，然后ads1216對得到的電壓信號進(jìn)行采樣并輸出至微控制器，經(jīng)校正后進(jìn)行標度變換轉化成相應的電阻值，查熱電阻分度表即可得到所測溫度。本節點(diǎn)也可通過(guò)rs485接口并嚴格按照modbus協(xié)議進(jìn)行通信，rs-485收發(fā)器采用sn65lbc184。
本熱電阻智能節點(diǎn)硬件結構框圖如圖1所示。
圖1 熱電阻智能節點(diǎn)硬件結構框圖
2.2信號輸入端電路與采樣電路
信號輸入端電路與采樣電路原理圖如圖2和圖3所示。
圖2 熱電阻信號輸入端電路
圖3 a/樣電路
max355差動(dòng)4通道模擬開(kāi)關(guān)接4路熱電阻信號轉換電路，圖中只畫(huà)出第一路轉換電路，接線(xiàn)方式為三線(xiàn)制，使能端en接高電平，使max355一直有效。a0、a1引腳接至mc9s12d64單片機的pp0和pp1端，用于選通某一路熱電阻信號進(jìn)行轉換與測量。當max355選通某一通道后，該通道將與公共端接通，假設選通通道1，200ua恒定電流由no1a和no1b輸出流經(jīng)熱電阻產(chǎn)生毫伏級電壓信號，此信號在vin1和vin2處被ads1216采樣。
ads1216組成4路全差分通道。單片機通過(guò)porta與ads1216通信，用于控制ads1216選通某一路模擬量輸入通道并進(jìn)行采樣，每一個(gè)控制信號均通過(guò)光耦合器和兩個(gè)施密特觸發(fā)器進(jìn)行數字隔離，這樣做可有效抑制各種噪聲干擾，提高傳輸通道上的信噪比。ads1216采樣每一路通道之前均進(jìn)行偏置與增益自校準。當/drdy變?yōu)榈碗娖?，標志?zhù)數據寄存器中數據已準備好，單片機便從24位數據輸出寄存器（dor）讀取轉換結果。
2.3 can和rs-485通信電路
can和rs-485通信電路原理圖如圖4所示。
mc9s12d64單片機的can輸入與輸出引腳（rxcan0和txcan0）分別接至收發(fā)器pca82c250的txd和rxd引腳。pt2用來(lái)控制數據接收與發(fā)送，當pt2為低電平時(shí)，接收數據；當pt2為高電平時(shí)，發(fā)送數據。輸入rs通過(guò)一電阻接地，使pca82c250工作在斜率控制模式下。sn65lbc184為具有瞬變電壓抑制的rs485差分收發(fā)器，因此本智能節點(diǎn)可以接入采用canbus或rs485的測控系統，并方便的與各種組態(tài)軟件進(jìn)行通信。
圖4 can和rs-485通信電路
3 熱電阻智能節點(diǎn)軟件設計
3.1概述
單片機程序用mc9s12匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。在主程序首先完成各寄存器和存儲單元的初始化，再通過(guò)調用讀取地址子程序，得到i/o板卡的地址和can通信波特率，再完成mscan模塊和ads1216初始化。隨后調用e2prom中組態(tài)信息，對每一路組態(tài)通道進(jìn)行信號轉換，數字濾波及溫度查表計算等，其主程序流程圖如圖5所示。
圖5 熱電阻智能節點(diǎn)主程序流程圖
由于現場(chǎng)的各種干擾很容易使信號失真，從而使a/d轉換結果產(chǎn)生比較大的誤差。因此在對信號進(jìn)行有效的硬件濾波后還需進(jìn)行軟件濾波，本節點(diǎn)采用了數字中值濾波、算術(shù)平均、加權濾波等方式。
3.2 節點(diǎn)與上位機的can通信
智能節點(diǎn)與主控卡或上位機的通信主要基于can通信協(xié)議來(lái)完成，它的優(yōu)點(diǎn)是能夠實(shí)時(shí)處理數據、在惡劣環(huán)境下正常工作、成本低且擁有比較高的帶寬。由于上位機內部無(wú)can網(wǎng)絡(luò )適配器，因此需外接rs-232/can轉接卡，實(shí)現上位機與智能節點(diǎn)的通信。通過(guò)節點(diǎn)上的跳線(xiàn)設置節點(diǎn)地址，當上位機發(fā)出命令時(shí)，節點(diǎn)進(jìn)入can接收中斷，對數據解包放入接收緩沖區并調用數據處理函數。當上位機發(fā)出組態(tài)命令時(shí)，單片機會(huì )將收到的組態(tài)通道信息和信號類(lèi)型寫(xiě)入e2prom保存，并回送一幀數據通知上位機組態(tài)信息已成功接收。當接收到上傳rtd值命令時(shí)，單片機會(huì )將內存中的4路rtd溫度值以多幀形式發(fā)送給上位機。
3.3 rtd阻值變換算法
軟件設計中關(guān)鍵算法在于rtd電壓阻值的轉化，刻度點(diǎn)間的線(xiàn)性化及標度變換。以pt100熱電阻的溫度刻度表為例，
pt100tab：fcb 04h,00h,07h,39h,08h,0e8h,0ah,94h,0ch,3ch,
fcb 0dh,0e1h, 0fh,83h,11h,23h,12h,0c0h,14h,5bh,
fcb 15h,0f3h,17h,89h,19h,1eh,1ah,0b1h,1ch,41h,
……
fcb 91h,84h,92h,0afh,93h,0d8h,95h,01h,96h,28h,
fcb 97h,4eh,98h,72h,9ah,0cah
分度表由-210℃開(kāi)始每間隔10℃作為一個(gè)刻度點(diǎn)，每一個(gè)刻度點(diǎn)的電阻值擴大100倍后轉換為十六進(jìn)制數即構成上表?？紤]到表格的一致性，cu100和cu50熱電阻的分度表也從-210℃開(kāi)始計算。
當得到校正后的ad轉換數值后，需要將采樣到的電壓信號轉換為電阻值以便于查表。阻值計算公式如下：
r即為實(shí)際熱電阻阻值，在這里將其擴大100倍以便于查表。
3.4 分段線(xiàn)性化查表
得到的對應阻值后，則從第0個(gè)刻度點(diǎn)開(kāi)始比較，如果該采樣值大于第0個(gè)刻度點(diǎn)，則再與下一個(gè)刻度點(diǎn)比較，同時(shí)記錄小于該采樣值的刻度點(diǎn)的個(gè)數n，如果采樣值小于某一溫度刻度點(diǎn)，則溫度位于該刻度點(diǎn)b與前一個(gè)刻度點(diǎn)a之間，溫度線(xiàn)性化在a、b兩刻度點(diǎn)之間進(jìn)行，線(xiàn)性化得到的溫度加上a點(diǎn)對應的溫度（n×10）即為采樣溫度。
以pt100熱電阻為例，某一通道得到校正后的采樣值為$9343，則前8個(gè)刻度點(diǎn)均小于$9343，第9個(gè)刻度點(diǎn)值大于$9343，記錄小于該采樣值的刻度點(diǎn)的個(gè)數n＝101，此時(shí)a點(diǎn)（第101個(gè)刻度點(diǎn)$92af）對應溫度為10×101＝1010℃，b點(diǎn)（第9個(gè)刻度點(diǎn)$93d8）溫度為1020℃，線(xiàn)性化在a、b兩點(diǎn)間進(jìn)行，具體公式為：
[（＄934-＄92af）/（＄93d8-＄92af）]×10=5℃
所以$9343對應的溫度為：
a點(diǎn)（第101個(gè)刻度點(diǎn)）對應溫度1010℃+線(xiàn)性化溫度5℃-210℃=805℃
其中，各表均以-210℃作為起始，故計算溫度時(shí)應減去210℃。
4 結束語(yǔ)
本智能測控節點(diǎn)主要完成對現場(chǎng)熱電阻信號進(jìn)行采集和處理。在實(shí)驗室條件下，利用電阻計代替現場(chǎng)的熱電阻信號，經(jīng)過(guò)反復測試，溫度測量值均正確，并且誤差在±1%以?xún)?。另外在監控程序的控制下，節點(diǎn)能夠有效配合上位機完成系統的組態(tài)、信號校正和上傳等功能，具有可靠、實(shí)時(shí)、靈活等特點(diǎn)。
作者簡(jiǎn)介
閆志紅（1986-）女 在讀碩士，現就讀于山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，研究方向為自動(dòng)化裝置的集成化與智能化。
參考文獻
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