基于CAN總線的鍋爐分布式監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計
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鍋爐是通過燃燒加熱工質(zhì)來提供熱能動力的重要設(shè)備，同時又是承壓、受火、有爆炸危險而又被各行各業(yè)普遍使用的特殊設(shè)備。所以實(shí)時監(jiān)控鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)，及時、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)鍋爐運(yùn)行中的事故至關(guān)重要。傳統(tǒng)的鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)在測量手段和使用的傳感器方面都存在很大的缺陷。以溫度檢測為例，早期采用的熱電偶電橋法，測試過程復(fù)雜；而采用集成的半導(dǎo)體模擬溫度傳感器需要大量的傳輸電纜，成本高且不易維護(hù)。
CAN總線是一種多主機(jī)控制標(biāo)準(zhǔn)，具有物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議、多主節(jié)點(diǎn)、無損仲裁、高可靠性及擴(kuò)充性能好等特點(diǎn)；能有效支持分布式控制系統(tǒng)的串行通信網(wǎng)絡(luò)。一方面，其通信方式靈活，可實(shí)現(xiàn)多主方式工作，還可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)等多種數(shù)據(jù)的收發(fā)；另一方面，能在相對較大的距離間進(jìn)行較高位速率的數(shù)據(jù)通信。本系統(tǒng)是由上位機(jī)對多個并列的承壓鍋爐監(jiān)控單元進(jìn)行控制管理，各監(jiān)控單元之間要進(jìn)行快速的數(shù)據(jù)傳輸。CAN總線能很好地滿足該系統(tǒng)的要求。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
如圖1所示，系統(tǒng)由上位監(jiān)控機(jī)、CAN節(jié)點(diǎn)0與其他CAN節(jié)點(diǎn)組成。其中，上位監(jiān)控機(jī)為PC機(jī)，各CAN節(jié)點(diǎn)的微控制器為STC89LE54RD+。STC89LE54RD+外接CAN控制器SJA1000，外部設(shè)備主要為一線式數(shù)字溫度計DS1822與壓力傳感器。
CAN節(jié)點(diǎn)0是一個至關(guān)重要的節(jié)點(diǎn)，主要有兩個功能：一是作為上位機(jī)(PC機(jī))與CAN總線的接口，完成CAN總線數(shù)據(jù)與RS-232接口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，對智能節(jié)點(diǎn)傳送過來的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行緩存，對告警信號進(jìn)行告警以通知維護(hù)人員進(jìn)行處理；二是負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)上位機(jī)與各個CAN節(jié)點(diǎn)的通信，以確保各個節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控數(shù)據(jù)能夠快速、準(zhǔn)確地傳給上位機(jī)。
監(jiān)控CAN節(jié)點(diǎn)為智能型的監(jiān)控模塊，以單片機(jī)為核心，主要負(fù)責(zé)對現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，對采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理并將處理過的數(shù)字信號通過CAN通信控制器SJA1000送入CAN總線；對系統(tǒng)中各個承壓鍋爐的壓力與溫度進(jìn)行測量。一般情況下，智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)會把監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，定期上傳給上位機(jī)，并可接受上位機(jī)的輪詢。若超出正常工作范圍，則告警，同時把數(shù)據(jù)實(shí)時向上位機(jī)報告。
2 硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計
如圖2所示，監(jiān)控CAN節(jié)點(diǎn)以STC89LE54RD十為微控制器，外圍模塊包括CAN總線接口模塊、溫度采集模塊、壓力采集模塊、報警模塊等。為充分利用STC89LE54RD+的接口資源，除CAN接口模塊外，其余模塊均采用串行接口器件。這樣就減小了電路體積，降低了電路的硬件成本。
STC89LE54RD+是高速、低功耗且兼容Philips公司51MX內(nèi)核的新一代單片機(jī)，12時鐘／機(jī)器周期和6時鐘／機(jī)器周期可反復(fù)設(shè)置，內(nèi)部集成有MX810專用復(fù)位電路；執(zhí)行指令的速度為標(biāo)準(zhǔn)8051的12倍，支持在系統(tǒng)編程ISP和在應(yīng)用編程IAP。
在圖3所示的模塊中，選用SJA1000作為CAN控制器，PCA82C250作為CAN控制器接口芯片。SJA1000集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可進(jìn)行通信數(shù)據(jù)的幀處理。PCA82C250是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，對總線提供差動發(fā)送能力，對CAN控制器提供差動接收能力；增加通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護(hù)總線，降低射頻干擾，實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)。把STC89LE54RD+的ALE、RD、WR與SJA1000的ALE、RD、WR相連就構(gòu)成一個最小系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，通過讀、寫外部數(shù)據(jù)存儲器的形式來訪問SJA1000。將SJA1000的TX1腳懸空，RX1引腳接地，形成CAN協(xié)議所要求的電平邏輯。
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