冗余CAN總線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與研究

　1 引 言

　　隨著計算機(jī)應(yīng)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(xiàn)場總線為應(yīng)用背景的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在業(yè)界被廣泛使用和推廣。CAN總線作為工業(yè)現(xiàn)場串行總線的一種，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)生的任何總線錯誤，并且具有高可靠性、實時性和靈活性，在監(jiān)測和控制系統(tǒng)中倍受青睞。然而傳統(tǒng)的工業(yè)現(xiàn)場遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要通過單總線傳輸，往往因為總線通訊故障而影響系統(tǒng)工作效率，不利于遠(yuǎn)程監(jiān)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(hù)，系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)不連續(xù)、難以管理和監(jiān)測效率低下等缺點。

　　通過將冗余CAN總線技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)場遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)中，采用嵌入式控制方式很好地解決了上述問題。

　　2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成

　　考慮到工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境比較復(fù)雜，為提高系統(tǒng)工作的可靠性和抗干擾能力，本系統(tǒng)設(shè)計采用嵌入式智能系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)采集器，以PC104系統(tǒng)作為嵌人式信息處理單元，通過冗余CAN總線接口開放式互聯(lián)的結(jié)構(gòu)組成采集系統(tǒng)。系統(tǒng)的組成框圖如圖l所示。系統(tǒng)由信息處理單元、遠(yuǎn)程嵌人式采集器、狀態(tài)顯示、外圍控制和維護(hù)接口等輔助接口單元組成，嵌人式信息處理單元和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器配置雙CAN總線接口。

　　嵌入式信息處理單元是該系統(tǒng)的主控單元，是系統(tǒng)信息處理的核心。它主要負(fù)責(zé)信息的采集和管理，并將采集信息處理后定期送往數(shù)據(jù)存儲單元和數(shù)據(jù)顯示單元，同時解析來自維護(hù)接口的用戶指令，根據(jù)指令要求執(zhí)行相應(yīng)的采集器維護(hù)命令和主控單元本身的日常維護(hù)。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器周期接收信息處理的采集指令，周期性地將采集數(shù)據(jù)發(fā)給信息處理。系統(tǒng)通過高速網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)了與其他網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)的共享和信息綜合。維護(hù)接口可提供無線指令響應(yīng)服務(wù)和現(xiàn)場指令響應(yīng)服務(wù)，以滿足本地和遠(yuǎn)程的系統(tǒng)維護(hù)。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

　　3 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實現(xiàn)

　　本系統(tǒng)的硬件設(shè)計重點在于信息處理單元和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計。

　　3．1 信息處理單元設(shè)計

　　遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵是對現(xiàn)場傳感器數(shù)據(jù)的實時采集、本地和遠(yuǎn)程命令的接收與采集信息的轉(zhuǎn)換和處理。信息處理單元對數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行正常的運(yùn)行監(jiān)視、操作、測量記錄和統(tǒng)計分析、故障運(yùn)行的監(jiān)視、報警和事件順序記錄與運(yùn)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(gòu)的PC104計算機(jī)系統(tǒng)和CAN總線接口卡組成。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(yùn)行速度可達(dá)300MHz，外圍接口豐富，同時配置64MB SRAM和1GB CF卡存儲器，并通過以太網(wǎng)接口進(jìn)行軟件調(diào)試和后期維護(hù)。為了實現(xiàn)雙CAN總線通訊接口，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(qū)動外部的數(shù)字接口，滿足系統(tǒng)維護(hù)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器工作模式設(shè)置的需求，對后續(xù)系統(tǒng)升級都留有較大空間。

　　3．2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器設(shè)計

　　遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器設(shè)計為以C805 1 F040 3 為處理器的智能采集通訊節(jié)點，C8051F040內(nèi)部集成了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)，包括ADC、DAC、電壓比較器、定時器、以及CAN2．0B控制器等，這種高度集成為設(shè)計小體積、低功耗、高可靠和高性能的采集系統(tǒng)統(tǒng)提供了方便。系統(tǒng)中遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器的硬件結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器從功能上可分為冗余CAN總線接口、數(shù)據(jù)采集電路和看門狗超時電路，其中看門狗超時周期為1．6s。為實現(xiàn)冗余CAN總線接口，通過增加一片獨立的CAN控制器SJA1000來實現(xiàn)。

圖2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器硬件結(jié)構(gòu)示意圖

　　3．2．1 采集電路設(shè)計

　　采集電路結(jié)構(gòu)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l(wèi)2位ADC的C8051F040進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和增益轉(zhuǎn)換。

圖3 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器不意圖

　　在實際的工程應(yīng)用中，由于被采集信號遠(yuǎn)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(yùn)放，同時可采用差動輸入方式和無限增益電壓負(fù)反饋放大。