CAN總線(xiàn)分布式安全檢測系統設計

1、引言

隨著(zhù)自動(dòng)控制技術(shù)和現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的不斷發(fā)展和深化，網(wǎng)絡(luò )化、集成化和互操作已成為現代控制系統的重要發(fā)展方向。在眾多的現場(chǎng)總線(xiàn)標準中，德國B(niǎo)osch公司提出的CAN總線(xiàn)(Controller Area Network)是從80年代初為解決現代汽車(chē)中眾多的控制于測試儀器之間的數據交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數據通信協(xié)議。

本文介紹了利用紅外傳感器無(wú)接觸檢測，結合單片機技術(shù)、CAN總線(xiàn)技術(shù)，將現場(chǎng)存在的傳感器、電子控制單元、執行機構連接起來(lái)組成分布式控制網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現了分布式安全保護檢測控制。有效地保證了工作人員人身安全和生產(chǎn)的正常進(jìn)行。該系統可用于危險場(chǎng)所、區域安全防護，機械加工、紡織、食品加工等安全保護以及家庭等防盜報警，有較廣泛的應用前景。

2、系統組成及原理

由于紅外線(xiàn)通過(guò)云霧等充滿(mǎn)懸浮粒子的物體時(shí)不易發(fā)生散射、有較強的穿透能力和抗干擾能力，且紅外線(xiàn)遙控不易引起串干擾，因而被廣泛應用于遙控裝置。本系統信號檢測部分使用紅外傳感主動(dòng)式發(fā)射/接收設計實(shí)現。紅外檢測裝置安裝在檢測控制區，當無(wú)人進(jìn)入檢測區時(shí)，接收管無(wú)信號輸出。反之，接收管輸出信號，通過(guò)解調、放大、比較處理后產(chǎn)生TTL高電平信號送入單片機，利用單片機編程技術(shù)控制實(shí)現語(yǔ)音警示或控制現場(chǎng)執行設備動(dòng)作。CAN總線(xiàn)由于其較強的抗干擾能力、通訊中沒(méi)有地址的概念以及節點(diǎn)數不受限制等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應用于汽車(chē)、數控機床、儀器儀表、現場(chǎng)總線(xiàn)控制等領(lǐng)域[2]。本系統通過(guò)單片機控制CAN總線(xiàn)控制器構成CAN總線(xiàn)進(jìn)行數據傳輸。這樣，多個(gè)檢測裝置構成了總線(xiàn)通信系統，方便實(shí)現多區域檢測控制狀態(tài)顯示。降低了系統在材料、安裝、維護等費用上的損耗，減小了布線(xiàn)復雜度。

分布式安全檢測系統主要由直流電源、信號檢測電路、信號處理電路、單片機控制器、接口電路、看門(mén)狗、CAN總線(xiàn)控制器、CAN總線(xiàn)收發(fā)器、狀態(tài)指示面板等電路組成。系統組成框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件結構框圖

3、系統設計

3.1 信號產(chǎn)生電路

系統信號產(chǎn)生電路采用CD4069外接電阻電容構成充放電通路產(chǎn)生方波脈沖信號。電路振蕩通過(guò)電容C充放電利用正反饋原理來(lái)完成，電路中R2是補償電阻，用于改善電源電壓變化而引起的震蕩頻率不穩，由于CD4069為六反相器，為避免干擾將其余各部分輸入端接地。電路原理如圖2所示。

圖2 信號發(fā)生電路

R2阻值不僅可影響振蕩頻率，而且能改變輸出波形占空比，因為此時(shí)消除了VT的波動(dòng)，能夠輸出占空比1/2方波，通常R1>>R2，一般取R1=10R2。

3.2 發(fā)射電路

系統信號發(fā)射電路由三極管V5、V6組成信號功率放大電路。得到較小占空比方波信號驅動(dòng)紅外發(fā)射管工作。紅外發(fā)射管采用電流驅動(dòng)，高電平時(shí)工作，低電平時(shí)截止。這樣使紅外發(fā)射管工作于脈沖狀態(tài)，延長(cháng)了其使用壽命。電路原理如圖3所示。

圖3 發(fā)射電路

為了防止塵埃、飛蟲(chóng)等遮斷紅外光束觸發(fā)報警，該電路中采用雙光束警戒線(xiàn)，當兩光束同時(shí)被遮斷時(shí)才觸發(fā)報警，只遮斷一條光束時(shí)不報警。兩光束間隔可調，安裝時(shí)根據實(shí)際情況調整合適的間距。另外，根據檢測檢區域大小可以安裝多組探測頭形成紅外屏障，這樣只有人等通過(guò)時(shí)才會(huì )至少遮斷兩條光束，防止誤報警。

3.3 接收電路

當檢測區中無(wú)遮擋物的情況下，紅外發(fā)射管發(fā)出的脈沖光無(wú)遮擋的被接收管接收，在電容C3產(chǎn)生負極性光敏電壓，無(wú)信號經(jīng)過(guò)電容C2;當有遮擋物進(jìn)入檢測區中時(shí)，信號經(jīng)過(guò)電容C2向信號處理單元輸出。接收管輸出的電信號很微弱，因而經(jīng)過(guò)電容C2的電信號非常小，需經(jīng)放大后向后級傳送。電路原理如圖4 所示。

圖4 紅外接收電路

為了滿(mǎn)足裝置工作要求，在接收管前端安裝紅外濾光片去除可見(jiàn)光，使紅外接收管構成最大受光區以提高系統精度。

3.4 處理電路

系統采用低功耗、高增益、內部有頻率補償的四運放集成芯片LM324。當無(wú)遮擋物進(jìn)入檢測區時(shí)，電路中只有直流信號，無(wú)法通過(guò)電容C8;當有遮擋物進(jìn)入檢測區時(shí)，接收電路的輸出突變的電信號，通過(guò)電容C8向后繼電路傳送，經(jīng)三極管Q6初級放大，再送到由LM324組成的放大電路進(jìn)行二次放大。

由于解調方波與紅外發(fā)射管的工作在時(shí)間上保持同步，且電子開(kāi)關(guān)僅在紅外發(fā)射管工作時(shí)接通，所以?xún)H有來(lái)自紅外發(fā)射管的光信號被接收，雜散光則被擋除。通過(guò)電子開(kāi)關(guān)的方波信號由電阻電容網(wǎng)絡(luò )濾波平滑，留下直流分量，于是遮擋物的擋光面積信號被還原出來(lái)即是遮擋物的擋光面積大，留下的直流分量也大;遮擋物的擋光面積小，留下的直流分量也小，處理后的電信號送入單片機控制器。電路原理如圖5所示，

圖5 信號處理電路

3.5 CAN總線(xiàn)節點(diǎn)電路

總線(xiàn)通信接口選取Philips公司生產(chǎn)的CAN總線(xiàn)控制器SJA1000以及總線(xiàn)收發(fā)器82C250，主要是考慮到SJA1000同時(shí)支持 CAN2.0A和CAN2.0B協(xié)議，通信速率可達1Mbps。單片機控制器既負責總線(xiàn)控制器SJA1000初始化，亦通過(guò)控制實(shí)現數據的接收和發(fā)送等通信任務(wù)。電路原理如圖6所示。

圖6 CAN總線(xiàn)節點(diǎn)電路