基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集人機界面設計

0 引言

目前在鐵路機車內(nèi)，模擬表盤大量存在，它給鐵路運輸?shù)陌踩芾碓斐闪讼喈敶蟮牟槐?。使用模擬表盤有以下缺點：第一，沒有數(shù)據(jù)存儲功能，如果發(fā)生事故，就很難得到事故發(fā)生時的確切信息;第二，需要大量布線、安裝不便。如果在原模擬系統(tǒng)中添加設備，則需要重新布線;第三，不能利用成熟的基于數(shù)字信號的現(xiàn)代信息處理技術。對火車機車監(jiān)控系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)測量和傳輸?shù)目焖傩浴蚀_性、可靠性、存儲性、通訊的靈活性都是至關重要的。有必要將機車內(nèi)的模擬表數(shù)字化和智能化，在此基礎上利用現(xiàn)場總線技術構成測控網(wǎng)絡，完成對機車內(nèi)重要數(shù)據(jù)及時的采集、傳輸、存儲、顯示、報警。

本鐵路機車數(shù)據(jù)平臺采用了CAN總線技術。選用CAN總線是基于可靠性方面的考慮。CAN總線最初廣泛用在汽車內(nèi)部的電子監(jiān)控上。由于火花塞產(chǎn)生的高頻干擾和發(fā)動機產(chǎn)生的機械震動都比較強，而CAN總線能在這種工作中可靠的工作，說明其具有很強的抗干擾能力。該機車數(shù)據(jù)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總線通信控制器中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括零位的插入和刪除、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等項工作。CAN協(xié)議的一個特點是廢除了傳統(tǒng)的棧地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼。采用這種方法的優(yōu)點是可使網(wǎng)絡內(nèi)的節(jié)點個數(shù)理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標識碼可由11位（按CAN技術規(guī)范2.0A）或29位（按CAN技術規(guī)范2.0B）二進制數(shù)組成，因此可以定義2的11次方或2的29次方個不同的數(shù)據(jù)塊。這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。數(shù)據(jù)段長度最多為8個字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)傳送的一般要求。同時，8個字節(jié)不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。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(shù)據(jù)通信的可靠性。

1 機車數(shù)據(jù)平臺使用說明

1.1原理

機車數(shù)據(jù)平臺實際上是一臺分布式計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其中采用了先進的現(xiàn)場總線技術。機車數(shù)據(jù)平臺是將微處理器置入傳統(tǒng)的測量控制儀表，使他們各自都具有了數(shù)字計算和數(shù)據(jù)通訊能力（智能儀表），采用可進行簡單連接的雙絞線等作總線，把多個測量儀表連接成網(wǎng)絡，并按公開、規(guī)范的通訊協(xié)議（CAN總線協(xié)議），在現(xiàn)場儀表和遠程計算機之間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和信息交換。簡而言之，它把單個分散的測量設備變成網(wǎng)絡節(jié)點，已現(xiàn)場總線為紐帶，把他們聯(lián)系起來，共同完成自控任務的網(wǎng)絡系統(tǒng)與控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線使自控系統(tǒng)與設備有了通訊能力，把它們連成網(wǎng)絡系統(tǒng)，加入到信息網(wǎng)絡的行列。

本機車數(shù)據(jù)平臺采用CAN總線技術。CAN是控制局域網(wǎng)絡（Control Area Network）的簡稱，最早由德國BOSCH公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件間的數(shù)據(jù)通訊。眾所周知，現(xiàn)代汽車越來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(shù)據(jù)，采用硬接信號線的方式不但煩瑣、昂貴，而且難以解決問題，采用CAN總線上述問題得到了很好的解決。由于CAN總線本身的特點，其應用范圍已不在局限于汽車工業(yè)，而向過程工業(yè)、機械工業(yè)、紡織工業(yè)、農(nóng)用機械、機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療器械及傳感器領域發(fā)展。

1.2功能

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

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發(fā)出報警信息。

1.3性能指標

1可容納54個智能表和8塊開關量采集卡（每塊16個開關量）。

2智能表輸入有隔離，隔離電壓5000伏;開關量輸入也有隔離，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，即接受一個模擬量輸入，并用指針顯示該模擬量的數(shù)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(shù)字量，隔離后通過CAN總線發(fā)送給數(shù)據(jù)采集站，發(fā)送的數(shù)據(jù)中包括報警（上超限、下超限，偏差超限）信息。

3接受來自監(jiān)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開關量采集卡的功能、協(xié)議與設定

116路獨立的光電隔離開關量輸入。

2用來檢測開關、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路開關量狀態(tài)讀入，而后通過CAN總線發(fā)送給數(shù)據(jù)采集站。

系統(tǒng)能容納8塊開關量采集卡，總共能檢測到16＊8=128個開關量狀態(tài)。每塊采集卡需要設定一個獨一無二的ID號，范圍限定在55到62。ID號通過開關量采集卡上的跳線ID設定。ID號按二進制編碼，跳線短接為0，反之為1。

1.6監(jiān)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CAN總線發(fā)送給智能表和數(shù)據(jù)采集站。

2校準智能表。

3接受來自數(shù)據(jù)采集站的報警信息，并顯示報警信息和通過繼電器觸電輸出報警信息。

1.6.2校準智能表

1壓校準鍵，使進入校準狀態(tài)。自動顯示接受到的01號智能表的數(shù)值（中間值，滿量程=1000）。

2壓切換鍵，而后用鍵盤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際測量到的值比較，確定誤差。

4調(diào)節(jié)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(shù)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總線發(fā)送給智能表和數(shù)據(jù)采集站。

4壓切換鍵，將光標切換到第三行，第三行顯示的數(shù)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總線發(fā)送給智能表和數(shù)據(jù)采集站。

6壓切換鍵，將光標切換到第四行，第四行顯示的數(shù)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總線發(fā)送給只能表和數(shù)據(jù)采集站。

2界面說明及流程圖
我們這里用五塊智能表和一組開關量來說明本課題的主要功能：

1每秒一次采集各智能表的數(shù)據(jù)和各開關量的狀態(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發(fā)出報警信息。

流程圖如圖1所示：

圖1 數(shù)據(jù)采集界面總流程圖

在這里，將模擬量進行如表1設置：

表1模擬量設置

數(shù)據(jù)采集界面運行圖如圖2所示：

圖2 數(shù)據(jù)采集界面

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

利用CAN總線技術構成網(wǎng)絡，利用VB語言設計數(shù)據(jù)采信人機界面，定現(xiàn)了顯示智能表讀數(shù)、開關量數(shù)據(jù)并在超限時報警的功能。運行（采集模塊6個）后表明，性能穩(wěn)定，采集數(shù)據(jù)的波動幅度小1%，數(shù)據(jù)準確性令人滿意，充分體現(xiàn)了CAN總線的優(yōu)越性。