基于CAN總線遠(yuǎn)程振動監(jiān)測系統(tǒng)研究

引言

當(dāng)前，遠(yuǎn)程振動監(jiān)測系統(tǒng)在理論研究和應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)等方面已取得了一定進(jìn)展，但在系統(tǒng)可靠性、網(wǎng)絡(luò)安全、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和傳輸、信息共享等方面還存在著許多不足。特別是處于惡劣和復(fù)雜環(huán)境下的大型設(shè)備，一方面分布地域廣，監(jiān)測點(diǎn)多；另一方面空間位置有限，常常存在嚴(yán)重的電磁干擾。因此，采用既實(shí)時(shí)、靈活和高效，又安全可靠的現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)通訊方式作為設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和傳輸方式十分必要。

CAN現(xiàn)場總線是一種有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)總線，最初由德國Bosch公司為汽車監(jiān)測和控制而設(shè)計(jì)，后被用于其他工業(yè)部門的控制，應(yīng)用范圍遍及整個(gè)控制領(lǐng)域。CAN總線數(shù)據(jù)通信具有安全、可靠、實(shí)時(shí)和靈活等特點(diǎn)，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織為其制定了IS011898標(biāo)準(zhǔn)。

設(shè)備工作過程中產(chǎn)生的振動信號常常包含大量的設(shè)備狀態(tài)信息，特別是設(shè)備早期故障產(chǎn)生以及發(fā)展信息。通過對設(shè)備運(yùn)行時(shí)振動信號的采集與分析，一方面可以實(shí)時(shí)在線監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，另一方面可以記錄設(shè)備發(fā)生異常或故障時(shí)的特征信息，據(jù)此可以進(jìn)行進(jìn)一步的故障分析和診斷。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)由CAN總線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集器、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和客戶端網(wǎng)絡(luò)瀏覽三部分組成，如圖1所示。系統(tǒng)通過在所需監(jiān)測的設(shè)備上安裝包括振動和其他重要參數(shù)為主要測量對象的各種傳感器，獲取設(shè)備的狀態(tài)信息。數(shù)據(jù)采集器對上述信號進(jìn)行采集并通過CAN總線傳送到應(yīng)用程序服務(wù)器進(jìn)行分析處理，處理結(jié)果存放到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。Web服務(wù)器負(fù)責(zé)信息的發(fā)布，客戶端通過瀏覽器訪問Web服務(wù)器發(fā)布的網(wǎng)頁，實(shí)現(xiàn)對所管轄設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測和管理。系統(tǒng)一方面采用具有CAN總線功能的網(wǎng)絡(luò)數(shù)采器上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)大范圍分布設(shè)備的監(jiān)測；另一方面通過Internet／Intranet分布監(jiān)測數(shù)據(jù)和信息，實(shí)現(xiàn)跨地域的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 CAN總線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集

在系統(tǒng)架構(gòu)圖1中，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集器擔(dān)負(fù)著重要角色，是本系統(tǒng)的核心部分。本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集器是一個(gè)全功能嵌入式多通道信號采集模塊，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，由傳感器、信號調(diào)理、信號變換、16通道模數(shù)轉(zhuǎn)換、微處理器和CAN總線接口等組成。來自一臺或幾臺相鄰設(shè)備的多達(dá)16通道包括振動在內(nèi)的傳感器信號，首先經(jīng)過信號調(diào)理電路得到相應(yīng)的電信號，對于振動傳感器還需要進(jìn)行所需的變換，如加速度變速度和速度變位移等處理。這些信號經(jīng)過放大、抗混濾波以及極性變換后送到多路開關(guān)，模數(shù)轉(zhuǎn)換巡回采集所有通道信號，微處理器進(jìn)行必要的處理后再通過CAN總線發(fā)送給應(yīng)用程序服務(wù)器。

圖2 CAN總線數(shù)據(jù)采集模塊框圖

CAN總線數(shù)據(jù)采集模塊采用內(nèi)核為CIP-51的嵌入式微處理器C8051F060。CIP-51具有標(biāo)準(zhǔn)8052的所有外設(shè)部件，同時(shí)內(nèi)嵌符合CAN 2.0A(基本CAN)和CAN 2.0B(全功能CAN)的CAN總線控制器，包含一個(gè)CAN核、獨(dú)立于C8051的消息RAM、一個(gè)消息處理狀態(tài)機(jī)以及控制寄存器等。C8051F060的CAN控制器可達(dá)到1Mb／s速率。CAN有32個(gè)消息對象，每個(gè)消息對象有自己的標(biāo)識掩碼，用于對接收到的消息進(jìn)行過濾。輸入數(shù)據(jù)、消息對象和標(biāo)識掩碼存儲在CAN消息RAM中。與數(shù)據(jù)發(fā)送和接收過濾有關(guān)的所有協(xié)議處理均由CAN控制器完成，不需MCU干預(yù)，使得用于CAN通信的CPU帶寬最小。通過C8051F060特殊功能寄存器可以配置CAN控制器以及接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

CAN總線數(shù)據(jù)采集模塊一方面要完成多通道數(shù)據(jù)采集，另一方面還要進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，其程序流程如圖3所示。