基于CAN總線的數(shù)字式傳感器群管理系統(tǒng)
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傳統(tǒng)的測(cè)量手段和傳感器存在很大的缺陷，就溫度檢測(cè)為例，早期的溫度測(cè)量采用的是熱電偶電橋法，雖然這種方法測(cè)量精度較高，但是測(cè)試過(guò)程復(fù)雜。即使采用集成的半導(dǎo)體模擬溫度傳感器，但在測(cè)點(diǎn)相隔相對(duì)較遠(yuǎn)、測(cè)點(diǎn)較多的場(chǎng)合，需要大量的傳輸電纜，不但傳輸干擾大，且成本高和不易維護(hù)。這些都是采用模擬傳感器構(gòu)成檢測(cè)系統(tǒng)常遇到的困難。
1 新型的數(shù)字化傳感器
近年來(lái)出現(xiàn)的新型數(shù)字式傳感器組成的檢測(cè)系 統(tǒng)解決了上述的困難。
用數(shù)字信號(hào)取代原來(lái)的4～20mA標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)，進(jìn)而提高可靠性和抗干擾能力。這就要求傳感器由可輸出4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的變送器改變?yōu)閹?shù)字總線接口并輸出數(shù)字信號(hào)。所有現(xiàn)場(chǎng)傳感器通過(guò)數(shù)字總線接口都方便地掛接在一條環(huán)形現(xiàn)場(chǎng)總線上，這樣可以大大削減控制室之間一對(duì)一的連接導(dǎo)線，節(jié)約初期安裝費(fèi)用，大大簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)的布線和設(shè)計(jì)，這種節(jié)約對(duì)一個(gè)大型、多點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)是很有意義的。
所謂數(shù)字傳感器就是一種帶有微處理器兼有檢測(cè)和信息處理功能的傳感器，傳感器系統(tǒng)的功能由以往的信息檢測(cè)擴(kuò)展到兼有信息處理功能，它采用了半導(dǎo)體集成電路和微控制器的最新技術(shù)，在一個(gè)傳感器上集成了參量測(cè)量芯片、數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片、計(jì)算機(jī)接口芯片、存儲(chǔ)芯片等多個(gè)功能模塊，除了完成參量檢測(cè)功能外，還具有自校零、自標(biāo)定、自校正和自動(dòng)補(bǔ)償功能。某些高級(jí)的數(shù)字傳感器甚至還具有自動(dòng)檢驗(yàn)、自選量程、自尋故障、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、記憶功能；具有雙向通訊、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字輸出或者符號(hào)輸出功能；具有判斷、決策處理功能。
數(shù)字式傳感器常采用串行數(shù)據(jù)總線技術(shù)與外界通訊，串行總線除了減少接口引腳的數(shù)目外，還可以將多個(gè)傳感器并聯(lián)或串聯(lián)在總線上，方便的實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量。目前在數(shù)字溫度傳感器中采用的串行總線主要有Philips公司的I2C總線、Motorola公司的SPI總線、National Semiconductor公司的Microwire plus總線和Dallas Semiconductor公司的1 Wire總線等。
2 CAN總線功能與特征
CAN屬于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)，與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有較高的可靠性和較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。其特點(diǎn)如下：
?。?）CAN為多主方式工作，而不分主從，通信方式靈活，且無(wú)需站地址等節(jié)點(diǎn)信息。
?。?）CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間，尤其是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況。
?。?）CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km；節(jié)點(diǎn)數(shù)目前可達(dá)110個(gè)，通信速率最高可達(dá)1 Mbps，數(shù)據(jù)幀帶CRC校驗(yàn)，出錯(cuò)率極低。
?。?）CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。
3 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)分兩級(jí)管理（見圖1），上位機(jī)采用了一般的PC機(jī)，配置為賽揚(yáng)667／128 M／30 G／17英寸純平彩顯，PC機(jī)通過(guò)CAN接口適配卡與CAN總線相連，與下位機(jī)進(jìn)行信息交換，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控及給下位機(jī)發(fā)送各種操作控制命令和設(shè)定參數(shù)。下位機(jī)通過(guò)擴(kuò)展CAN接口芯片掛接在CAN總線上，接收上位機(jī)的設(shè)置和命令。下位機(jī)的數(shù)量取決于控制現(xiàn)場(chǎng)的規(guī)模，最多能掛接110個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)。一個(gè)下位機(jī)管理若干個(gè)數(shù)字式傳感器，傳感器的個(gè)數(shù)依實(shí)際需要決定。
下位機(jī)與傳感器通過(guò)串行數(shù)據(jù)總線連接，不同公司的產(chǎn)品支持不同的串行總線，這里采用了Philips公司的I2C總線，下位機(jī)的作用主要是控制傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，下位機(jī)內(nèi)置的單片機(jī)接收主機(jī)的指令，完成對(duì)傳感器的 尋址、序號(hào)設(shè)定、數(shù)據(jù)傳輸以及CRC校驗(yàn)等工作，并提供傳感器自身的故障檢測(cè)和處理。
4 硬件結(jié)構(gòu)
PC機(jī)與CAN總線的接口由CAN通信接口卡PCCAN完成，PCCAN為北京三興公司開發(fā)的智能適配卡，該卡上有高性能的嵌入式微處理器80C188，有2 KB的高速雙口RAM直接映射到主機(jī)內(nèi)存空間。操作時(shí)，用戶通過(guò)軟件設(shè)置將卡上的雙口RAM映射成PC機(jī)的物理內(nèi)存，這樣用戶收發(fā)數(shù)據(jù)就相當(dāng)于直接向內(nèi)存讀寫數(shù)據(jù)，從而極大的提高了通信卡和PC總線的數(shù)據(jù)交換速率。連接時(shí)，只要將PC－CAN插入PC的ISA總線擴(kuò)展槽，再將卡上的DB—9插座按CAN標(biāo)準(zhǔn)與雙絞線相連即可。
CAN硬件接口電路由單片機(jī)、CAN協(xié)議控制器、CAN總線收發(fā)器組成（見圖2），CAN控制器主要由實(shí)現(xiàn)CAN總線協(xié)議部分和與微控制器接口部分電路組成。對(duì)于不同型號(hào)的CAN總線通信控制器，實(shí)現(xiàn)CAN協(xié)議部分電路的結(jié)構(gòu)基本相同，而與微控制器接口部分的結(jié)構(gòu)及其方式存在一些差異，這里采用Philips的82C200為CAN協(xié)議控制器，它具有完成高性能通信協(xié)議所要求的全部必要特性，通過(guò)簡(jiǎn)單連接可以完成CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能，應(yīng)用層功能可以由微控制器完成。
評(píng)論