基于CAN總線的分布式熱電阻智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)
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1 引言
現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)，德國(guó)bosch公司的can是為解決汽車內(nèi)部的復(fù)雜硬信號(hào)接線提出的，而其應(yīng)用范圍正逐漸向過(guò)程控制、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械及傳感器等領(lǐng)域發(fā)展。can總線以其獨(dú)特的設(shè)計(jì)、低成本、高可靠性、實(shí)時(shí)性、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。本文選用can總線設(shè)計(jì)了分布式熱電阻智能節(jié)點(diǎn)，利用can總線連接各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，可以直接與主控卡或上位機(jī)通信，組建成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)分布式測(cè)控系統(tǒng)。
2 熱電阻智能節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
2.1智能節(jié)點(diǎn)整體結(jié)構(gòu)
本熱電阻智能節(jié)點(diǎn)設(shè)有4路輸入通道，支持3線制方式，支持熱電阻類型有cu50、cu100和pt100，采用freescale mc9s12d64單片機(jī)作為微控制器，其內(nèi)部有一個(gè)can通信模塊（mscan），符合can2.0a/b標(biāo)準(zhǔn)，所以不需要擴(kuò)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路之間的接口。節(jié)點(diǎn)通過(guò)24位a/d轉(zhuǎn)換器ads1216對(duì)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)模擬開關(guān)max355選通相應(yīng)的組態(tài)通道，然后ads1216對(duì)得到的電壓信號(hào)進(jìn)行采樣并輸出至微控制器，經(jīng)校正后進(jìn)行標(biāo)度變換轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電阻值，查熱電阻分度表即可得到所測(cè)溫度。本節(jié)點(diǎn)也可通過(guò)rs485接口并嚴(yán)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(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1 熱電阻智能節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖
2.2信號(hào)輸入端電路與采樣電路
信號(hào)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(hào)輸入端電路
圖3 a/樣電路
max355差動(dòng)4通道模擬開關(guān)接4路熱電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，圖中只畫出第一路轉(zhuǎn)換電路，接線方式為三線制，使能端en接高電平，使max355一直有效。a0、a1引腳接至mc9s12d64單片機(jī)的pp0和pp1端，用于選通某一路熱電阻信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換與測(cè)量。當(dāng)max355選通某一通道后，該通道將與公共端接通，假設(shè)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(jí)電壓信號(hào)，此信號(hào)在vin1和vin2處被ads1216采樣。
ads1216組成4路全差分通道。單片機(jī)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(hào)均通過(guò)光耦合器和兩個(gè)施密特觸發(fā)器進(jìn)行數(shù)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(zhǔn)。當(dāng)/drdy變?yōu)榈碗娖?，?biāo)志著數(shù)據(jù)寄存器中數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好，單片機(jī)便從24位數(shù)據(jù)輸出寄存器（dor）讀取轉(zhuǎn)換結(jié)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(jī)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(shù)據(jù)接收與發(fā)送，當(dāng)pt2為低電平時(shí)，接收數(shù)據(jù)；當(dāng)pt2為高電平時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)。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(jié)點(diǎn)可以接入采用canbus或rs485的測(cè)控系統(tǒng)，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(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
3.1概述
單片機(jī)程序用mc9s12匯編語(yǔ)言編寫。在主程序首先完成各寄存器和存儲(chǔ)單元的初始化，再通過(guò)調(diào)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(diào)用e2prom中組態(tài)信息，對(duì)每一路組態(tài)通道進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，數(shù)字濾波及溫度查表計(jì)算等，其主程序流程圖如圖5所示。
圖5 熱電阻智能節(jié)點(diǎn)主程序流程圖
由于現(xiàn)場(chǎng)的各種干擾很容易使信號(hào)失真，從而使a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果產(chǎn)生比較大的誤差。因此在對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效的硬件濾波后還需進(jìn)行軟件濾波，本節(jié)點(diǎn)采用了數(shù)字中值濾波、算術(shù)平均、加權(quán)濾波等方式。
3.2 節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)的can通信
智能節(jié)點(diǎn)與主控卡或上位機(jī)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?qū)崟r(shí)處理數(shù)據(jù)、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(jī)內(nèi)部無(wú)can網(wǎng)絡(luò)適配器，因此需外接rs-232/can轉(zhuǎn)接卡，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與智能節(jié)點(diǎn)的通信。通過(guò)節(jié)點(diǎn)上的跳線設(shè)置節(jié)點(diǎn)地址，當(dāng)上位機(jī)發(fā)出命令時(shí)，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入can接收中斷，對(duì)數(shù)據(jù)解包放入接收緩沖區(qū)并調(diào)用數(shù)據(jù)處理函數(shù)。當(dāng)上位機(jī)發(fā)出組態(tài)命令時(shí)，單片機(jī)會(huì)將收到的組態(tài)通道信息和信號(hào)類型寫入e2prom保存，并回送一幀數(shù)據(jù)通知上位機(jī)組態(tài)信息已成功接收。當(dāng)接收到上傳rtd值命令時(shí)，單片機(jī)會(huì)將內(nèi)存中的4路rtd溫度值以多幀形式發(fā)送給上位機(jī)。
3.3 rtd阻值變換算法
軟件設(shè)計(jì)中關(guān)鍵算法在于rtd電壓阻值的轉(zhuǎn)化，刻度點(diǎn)間的線性化及標(biāo)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(kuò)大100倍后轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)即構(gòu)成上表。考慮到表格的一致性，cu100和cu50熱電阻的分度表也從-210℃開始計(jì)算。
當(dāng)?shù)玫叫Ｕ蟮腶d轉(zhuǎn)換數(shù)值后，需要將采樣到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電阻值以便于查表。阻值計(jì)算公式如下：
r即為實(shí)際熱電阻阻值，在這里將其擴(kuò)大100倍以便于查表。
3.4 分段線性化查表
得到的對(duì)應(yīng)阻值后，則從第0個(gè)刻度點(diǎn)開始比較，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(shù)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，溫度線性化在a、b兩刻度點(diǎn)之間進(jìn)行，線性化得到的溫度加上a點(diǎn)對(duì)應(yīng)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(shù)n＝101，此時(shí)a點(diǎn)（第101個(gè)刻度點(diǎn)$92af）對(duì)應(yīng)溫度為10×101＝1010℃，b點(diǎn)（第9個(gè)刻度點(diǎn)$93d8）溫度為1020℃，線性化在a、b兩點(diǎn)間進(jìn)行，具體公式為：
[（＄934-＄92af）/（＄93d8-＄92af）]×10=5℃
所以$9343對(duì)應(yīng)的溫度為：
a點(diǎn)（第101個(gè)刻度點(diǎn)）對(duì)應(yīng)溫度1010℃+線性化溫度5℃-210℃=805℃
其中，各表均以-210℃作為起始，故計(jì)算溫度時(shí)應(yīng)減去210℃。
4 結(jié)束語(yǔ)
本智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)主要完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)熱電阻信號(hào)進(jìn)行采集和處理。在實(shí)驗(yàn)室條件下，利用電阻計(jì)代替現(xiàn)場(chǎng)的熱電阻信號(hào)，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，溫度測(cè)量值均正確，并且誤差在±1%以內(nèi)。另外在監(jiān)控程序的控制下，節(jié)點(diǎn)能夠有效配合上位機(jī)完成系統(tǒng)的組態(tài)、信號(hào)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(xiàn)就讀于山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化裝置的集成化與智能化。
參考文獻(xiàn)
[1]李正軍．計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[m]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004．
[2]李正軍．現(xiàn)場(chǎng)總線及其應(yīng)用技術(shù)[m]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005．
[3]孫同景．freescale十六位單片機(jī)原理及嵌入式開發(fā)技術(shù)[m]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008．
[4]邵貝貝著．單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線開發(fā)方法[m]．北京：清華大學(xué)出版社，2004．
評(píng)論