单总线协议转换器在分布式测控系统中的应用

单总线协议转换器在分布式测控系统中的应用（精选6篇）

篇1：单总线协议转换器在分布式测控系统中的应用

C8051F040在基于CAN总线的分布式测控系统中的应用

摘要：CYGNAL生产的单片机C8051F040是代表8位单片机发展方向的高速(25M)混合信号系统级芯片(SOC)它不仅集成了一般测控系统需要的外设，而且集成了很有发展前景的现场总线―CAN总线控制器，文中对该芯片中的CAN控制器结构作了分析，并给出了在分布式测控系统中使用该芯片的智能节点的硬件、软件设计方案。

关键词：C8051F040;CAN总线;分布式;测控节点

1 概述

分布式在线测控系统是由多个面向设备的、以MCU为核心的智能处理单元和多个并行运行且具有不同监测和故障诊断功能的微机构成的。该系统采取“分治”的设计思想?它将数据采集以及部分数据处理任务交给设备层的智能处理单元去完成?而监测诊断层主要负责监视和故障诊断。分布式测控系统设计均应考虑各个节点之间的通信问题?因为通信网络的选取对系统性能有很大影响。 国内已开展了基于现场总线的在线测控系统的研究?并利用CAN总线实现设备层的检测处理、单元间的通信以及与上层监测主机的通信。CAN总线就是一种支持分布式实时控制系统的串行通信局域网络总线。它的主要特点如下:

●任一个节点均可在任一时刻主动向网络上的其它节点发送数据,而从不分主从,因此，通信比较灵活;

●节点可分为不同的优先级,可以满足不同的实时要求;

●采用非破坏性总线仲裁,当两节点同时向总线发送信息时,优先级低的节点主动停止数据发送?而优先级高的节点可不受影响地继续发送数据;

●通信距离最远可达10km，通信最高速率可达1Mbps?

●每帧数据的有效字节数为8，因此，可保证很短的传输时间，而且实时性强，受干扰的概率低;

(本网网收集整理)

●每帧数据都含有CRC(循环冗余)校验及其它校验措施，因而数据出错率很低;

●CAN总线节点在严重错误的情况下，可自动切断与总线的联系，以使总线上的其它操作不受影响。

目前，CAN总线协议以其可靠性高、实时性好以及独特的设计已经成为总线通信网络的首选?国内目前使用较广的是PHILIPS 生产的SJA1000 、82C200等独立的CAN控制器，由于这种独立的控制器限制了测控节点的集成度，因此，很多微处理器生产厂家已经开始生产内部集成有CAN控制器的MCU。美国CYGNAL公司生产C8051F040就是内部集成有BOSCH CAN控制器的混合信号系统级芯片(SOC)。本文将分析C8051F040 的CAN总线结构、与CPU 的接口及初始化配置，同时将给出基于C8051F040的分布式测控节点的设计及系统的实现框架。

2 C8051F040及其内部BOTSH CAN

Cygnal公司的单片机C8051F040具有与8051指令集完全兼容的CIP-51内核。它的最高频率可达25MHz?内置64kB FLASH RAM和4kB的数据存储器。C8051F040在一个芯片内集成了构成单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其它功能部件，包括ADC、可编程增益放大器、DAC、电压比较器、温度传感器、SMBus/I2C、UART、SPI、定时器、内部振荡器、看门狗电路以及CAN 控制器等，这种高度集成为设计小体积、低功耗、高可靠和高性能的测控系统提供了方便，同时也使测控设备整体成本能够降低。

C8051F040内部集成有BOTSH CAN，它兼容CAN技术规范2.0A和2.0B，主要由CAN内核、消息RAM(独立于CIP-51的RAM)、消息处理单元和控制寄存器组成，图1所示是C8051F040内部的CAN总线结构图。

图1中，CAN内核由CAN协议控制器和负责消息收发的串行/并行转换RX/TX移位寄存器组成。消息RAM用于存储消息目标和每个目标的仲裁掩码。这种CAN处理器有32个随意配置为发送和接受的消息目标?并且每一个消息目标都有它自己的识别掩码，所有的数据传输和接收滤波都是由CAN控制器完成的，而不是由CIP-51来完成。

CAN内部寄存器中存储了所有CAN的控制和配置信息，其中包括控制寄存器、状态寄存器、设置波特率的位定时寄存器 、测试寄存器、错误计数器和消息接口寄存器。通常CAN内核不能直接访问消息RAM，而必须通过接口寄存器IF1或IF2来访问。另外，CIP-51的SFR并不能直接访问CAN内部寄存器的所有单元，其配置CAN、消息目标、读取CAN状态以及获取接收数据、传递发送数据都由SFR中的6个特殊寄存器来完成，其中CAN0CN、CAN0TST和CAN0STA 3个寄存器可直接获取或修改CAN 控制器中对应的寄存器，而CAN0DATH、CAN0DATL、CAN0ADR

3个寄存器主要用来访问修改其它不能直接访问的CAN 内部寄存器，其中CAN0ADR用来指出要访问寄存器的地址，CAN0DATH、CAN0DATL这时就相当于要访问的16位寄存器的高、低字节的映射寄存器，而对它们的读写则相当于对所指向寄存器的读写。图2给出了CIP-51如何访问CAN中控制寄存器和每个消息的`路径图。

消息处理单元用于根据寄存器中的信息来控制CAN内核中移位寄存器和消息RAM 之间的数据传递，同时，它还可用来管理中断的产生。

3 基于C8051F040的智能系统设计

3.1 硬件设计

工业测控现场通常存在着大量的传感器、执行机构和电子控制单元，它们一般分布较广，而且对实时性要求也很高，图3是基于CAN总线的分布式测控系统框图。该系统采用现场总线式集散系统FDCS?Field Distributed Control System?结构，它由主控站(注：CAN总线各节点并不分主从 ?这里是针对特定的系统而言)、C8051F040为MCU的智能节点并配以CAN现场总线控制网络构成。主控站主要完成对各节点的在线监控以及对各节点返回信息的分析处理，并对节点发出控制命令以控制节点工作模式。智能节点则根据主控站命令来完成数据采集、运行显示以及对执行部件的控制，以及各节点与主站、节点与节点之间的实时数据交换和信息控制。

图4是一个以C8051F040为核心的智能节点设计原理图。

图中，C8051F040的6、7脚分别为CANRX和CANTX引脚，CAN的输出输入必须加总线收发器才能与CAN物理总线相连。本系统采用了TJA1050高速CAN收发器来替代传统的PCA82C250收发器，TJA1050芯片具有电磁辐射低、防短路、不上电时对总线无影响等特点，它的8脚S可以选择高速或静音两种模式，并可由C8051F040的P4.0控制。为了增加CAN 节点的抗干扰能力，将CAN引脚通过高速光耦6N137与总线收发器相连，可实现各节点之间的电气隔离。电源的隔离可以采用小功率电源隔离模块，也可以用带多个5V隔离输出的开关电源模块。这样能大大提高节点的稳定性和可靠性，但可能会增加节点的硬件复杂性。

3.2 节点软件设计

对于一个实际的测控系统，其节点软件是比较复杂的，但由于C8051F040具有与8051指令完全兼容的CIP-51内核，所以，对于有使用51系列单片机经验的人来说，这并没有太大的难度，下面主要介绍C8051F040内置CAN的软件设计。

如果需要某一节点将A/D采样值通过CAN总线送到主控站(地址01H)，且配置系统时设定的工作频率为25MHz?CANTX引脚设为推挽方式，那么在初始化过程中，波特率应配置为160kbps，消息目标禁止不用，配置消息目标2为接收时的程序代码如下：

CAN_INIT：

MOV SFRPAGE，#01H

ORL CAN0CN，#41H ;设INIT位为1， CCE为1

; 配置波特率

MOV CAN0ADR，#03H

MOV CAN0DATH，#7FH

MOV CAN0DATL，#05H

;禁止不用的消息目标(3-32)

MOV CAN0ADR， #0DH ; 指向IF1的仲裁控制寄存器2

MOV CAN0DATH，#00H ; MAGVAL=0;

MOV CAN0ADR，#09H ; 指向IF1的命令掩码寄存器

MOV CAN0DATL，#0A0H ?; 方向为写，改变仲裁位

MOV R1，#20H

MOV CAN0ADR， #08H ;指向IF1的命令寄存器

ENABLE_MESSAGE_OBJECTS：

MOV CAN0DATL，R1 ;写R1指向的消息目标

MOV CAN0ADR， #08H ;指向IF1的命令寄存器

WAIT_TRANSFER_OVER?

MOV A，CAN0DATH ?;读命令寄存器

JB ACC.7，WAIT_TRANSFER_OVER

DEC R1

CJNE R1，#02H，ENABLE_MESSAGE_BJECTS

;配置消息目标2为接收

MOV CAN0ADR，#21H

MOV CAN0DATL，#11111000B?; 写IF2命令掩码

MOV CAN0DATH，#00H

MOV CAN0DATL，#00H ?;写IF2掩码1

MOV CAN0DATH，#00H

MOV CAN0DATL，#00H ?; 写IF2掩码2

MOV CAN0DATL，#00H ?; 写IF2仲裁寄存器1

MOV CAN0DATH，#80H ?; 写IF2仲裁寄存器2高8位

消息目标有效，标准仲裁帧，方向为接收

MOV CAN0DATL，#00H ?; 写IF2仲裁寄存器2低8位

MOV CAN0DATH，#00010100B?; 写IF2控制寄存器高位

MOV CAN0DATL，#80H ?; 写IF2控制寄存器低位

MOV CAN0ADR， #20H

MOV CAN0DATL， #02H ?; 通过IF2写2号消息目标

WAIT_TRANSFER_OVER1;

MOV A，CAN0DATH ; 读命令寄存器

JB ACC.7，WAIT_TRANSFER_OVER1

; 等待写结束

;CAN进入操作模式

MOV CAN0CN,#00000010B ; CAN进入正常操作模式状态中断使能，

RET

发送过程是将存储在从BUF0起始地址中的2个字节的A/D采样数据，通过IF1传送到消息目标1的过程。其启动发送程序代码如下：

SEND_AD_DATA：

MOV SFRPAGE， #01H

MOV CAN0ADR， #09H

MOV CAN0DATL，#10110111B

; 写IF1命令掩码寄存器

MOV CAN0ADR， #0DH

MOV CAN0DATH，#10100000B ;使用11位标准仲帧

MOV CAN0DATL，#04H ;写IF1仲裁寄存器2，发送对象的地址01因标准帧使用高11位，所以地址要左移2位指向控制寄存器

MOV CAN0DATH，#00001001B ; 写IF1控制寄存器高8位，传输中断使能，置传输请求位

MOV CAN0DATL，#0BH ?; 写IF1控制寄存器低8 位，EOB=1 DLC=0指向BUF0

MOV DPTR，BUF0

MOVX A，@DPTR

MOV CAN0DATL，A ?; 写IF1数据0

INC DPTR

MOVX A，@DPTR

MOV CAN0ADR，#0FH

MOV CAN0DATH，A ?; 写IF1数据1

MOV CAN0ADR， #08H

MOV CAN0DATL，#01H ?;传递到目标1及启动发送

RET

4 结束语

Cygnal公司的单片机C8051F040是一种完全集成的混合信号系统级芯片(SOC)，它具有与8051指令集完全兼容的CIP-51内核?代表了8位单片机的发展方向。它不仅集成有构成监控系统常用的外设，而且集成了逐渐成为控制领域首选的高可靠性、高性能C8051F040 CAN总线;本文使用该芯片设计的测控系统智能节点具有集成度高、性能稳定等特点。由于C8051F040可达

到25MHz工作频率，因而可提高系统实时性。此外，由于BOTSCH CAN内有32个自带掩码消息目标的特殊设计，因此，用其进行分布式在线测控系统节点之间的相互数据传递设计将更为简单。

篇2：单总线协议转换器在分布式测控系统中的应用

3.1湿度传感器

由于单总线微网采用寄存电源的方式向单总线器件供电，因此，要求挂接在单总线微网上的器件必须满足低功耗的要求。这里，选用了具有低功耗特性的模拟大信号湿度传感器HIH-3610.HIH-3610是美国Honeywell公司生产的相对湿度传感器。该传器采用热固聚酯电容式传感头，同时在内部集成了信号处理功能电路，因此，可完成将相对湿度值变换成电容值，再将电容传转换成线性的电压输出。同时该传感器还具精度高、响应快速、高稳定性、低温漂、抗化学腐蚀性能强及互换性好等优点，其性能指标如表3所列，输出电压与相对湿度的关系曲线如图3所示。

表3HIH-3610湿度传感器性能指标

参数指标RH精度±2%RH,0――100%RH非凝结，25℃(DC供电电压=5V)RH互换性±5%RH,0――60%RH;±8%@90%RHRH线怀±0.5%RH典型值RH迟滞±1.2%的RH最大量程RH重复性0.5%RHRH反应时间/s30(慢流动的空气中，1/e@25℃)RH稳定性±1%RH典型值，50%RH,5年时间内DC供电电压/V4――9(传感器在DC5V下标定)消耗电流/mA0.2(DC5V);2(典型值，DC9V)输出电压Vout=Vsuppl[0.0062(sensor%RH)+0.16]温度补偿RH(sensor%RH)/(1.0546-0.0216t)

由性能指标及输出电压与相对湿度的关系曲线，可得出如下结论。

①HIH-3610在供电电压为5V时，其消耗电流仅为200μA,完全可满足单总线微网对器件低功耗的要求。

②HIH-3610输出电压为

Vout=Vsupply[0.0062(sensor%RH)+0.16]

即输出电压Vout不仅正比于湿度测量值，且与电源电压值Vsupply圾关。若Vsupply固定为5V,则其值仅由相对湿度值决定，但由于单总线上的供电电压值为变量，故要求在进行湿度测量的同时还应测量电源电压Vsupply的值。

③HIH-3610输出的湿度值还与环境温度有关，故应进行温度补偿，补偿公式为

RH=(sensor%RH)/1.0546-0.0216t

因此，为得到准确的湿度测量值，还应在测量湿度的同时测量环境湿度和单总线供电电压值。

3.2DS2438与传感器接口

本系统中利用DS2438来同时完成对环境温度的测量、单总线电源电压的测量及湿度传感器输出电压值的测量。由图4可知，为了满足寄生电源工作的要求，为传感器设计了相应的电源电路。电源电路由VD1、VD2及电容C1构成。其中二极管VD2和电容C1构成半波整流电路，在总线空闲时为DS2438和HIH-3610供电。DS2438的5脚VDD端的电位即是HIH-3610的电源电压。通过编程DS2438内部的状态/结构寄存器的“AD”位，使二通道电压A/D转换器的输入选择为VDD端，可完成HIH-3610电源电压测量功能。通过编程状态/结构寄存器的“AD”位，使二通道电压A/D转换器的输入选择为VAD端，即HIH-3610的湿度电压值输出端可完成湿度值测量功能，环境温度的测量可由DS2438内部的湿度传感器完成，因此，使用1片DS2438即可完成湿度值的测量，并可由相应的软件算法实现电源电压的校正及环境温度补偿。

3.3单片机与传感器的接口

单片机与单总线湿度传感器的接口电路如图4所示。

图4单总线湿度传感器及与单片机的接口

单片机选用AT89C52单片机。这里利用单片机的P1.0口线作为单总线接口;单总线湿度传感器采用寄存电源供电方式;P1.0口线外接一只4.7kΩ的上拉电阻，可在总线空闲时向湿度传感器提供能量。

3.4软件编程

网络补充版中，给出单总线湿度传感器相关的数据采集程序，包括读湿度测量值、读单总线供电电压值及读湿度值子程序。

结语

篇3：单总线协议转换器在分布式测控系统中的应用

建筑在我国分为工业建筑和民用建筑。工业建筑本身能耗不大, 所以国家还未对工业建筑作节能方面的要求。民用建筑又分为两大类:居住建筑和公共建筑。就目前中国居民的消费水平和消费习惯而言, 居住建筑能耗或公共建筑与国外居住建筑相比是非常少的。居住建筑提倡节能设计, 目的是提高人们生活的舒适性。而公共建筑提倡节能设计才是建立集约型社会的关键环节。公共建筑分为以下几类:办公建筑 (写字楼、政府部门办公楼) , 商业建筑 (商场、金融建筑) , 旅游建筑 (旅馆、娱乐场所) , 科教文卫建筑 (文化、教育、科研、医疗、卫生、体育) , 通信建筑 (邮电、通讯、广播) 以及交通运输 (机场、车站等) 。有数据显示:就政府部门办公楼每年所消耗能量相当于全国八亿农民全年全部的能耗。实践证明, 人体感觉舒适的室内温度夏季在24～28℃, 冬季在18～22℃, 目前大多数公共建筑夏季空调温度调得很低, 甚至低于20℃, 不但浪费能源, 同时舒适性很差, 是导致“空调病”发生的主要原因。为了节约能源, 我们对温度进行实时检测, 本文以夏季室内温度为对象进行温度测量系统设计, 初始温度上下限定为30.0℃和22.0℃。

1 系统概述

本文叙述了单片机基于单总线的温度信号采集与处理系统设计, 内容主要包括传感器电路、显示电路和程序设计。通过温度传感器DS18B20将温度信号直接转换为数字信号, 再运用AT89C51单片机控制信号的采集与处理, 最后使得AT89C51控制的数码显示管显示经过处理后的温度值, 如果超过警戒线范围将进行两种方式的超温低温报警。我们可以通过开关K1, K2来查阅不同通道的温度值, K3, K4用来设置温度上下限值, 整体结构框图如图1所示。

温度传感器:采用DS18B20作为温度传感器用来采集温度信号, 并将采集到的数字信号传送给单片机。

单片机:选用AT89C51是对温度传感器传送出的数字信号进行处理、运算, 最后将运算结果显示在数码管上, 并控制超温低温报警。

2 硬件设计电路

系统硬件设计电路分为DS18B20温度采集测量电路, AT89C51的信号采集处理电路, 及其控制的数码管显示电路, K0, K1, K2用来查阅不同通道的温度值, K0闭合时, K1用来查看上一个DS18B20的温度值。K2用来查看下一个DS18B20温度值, 当闭合K3时, K1用来增加温度上限值, K2用来减小温度上限, 闭合一次变化值为0.1℃, 同理当K4闭合时K1用来增加温度下限值, K2用来减小温度下限值, 变化值也为0.1℃每次。整个电路图见图2。

2.1 温度模块

DALLAS的DS18B20是一种可编程的数字温度传感器, 内部主要是由3部分组成, 即64位ROM;温度传感器;温度报警触发器TH和TL, 此外, 还有存储器控制逻辑电路等。DS18B20中包含有5条ROM命令和6条随机存储器操作命令。通过控制命令对DS18B20进行操作。单片机必须先通过数据口给DS18B20发ROM命令, 然后发6个存储器命令中的1条命令去控制DS18B20的工作状态, 完成温度的转换和数据的输出。DS18B20和单片之间在工作过程中的协议主要有:初始化、ROM存储器操作命令、RAM存储器操作命令。

温度模块由温度传感器DS18B20和一个上拉电阻构成。温度直接以“一线总线”的数字方式传输, 大大提高了系统的抗干扰性。采用外部供电模式, 1-wire系统只有一个主机, 通过单根总线与一个或多个从属设备 (传感器) 相连, 所以主机与从属设备间的通讯具有严格的通讯协议和时序。DS18B20测量温度范围为-55℃ ～ +125℃.采用默认分辨率0.0625℃, 如图3所示。

2.2 本地显示电路

本地显示电路由七个七段共阳极LED数码管构成, 其中, 第一个显示高温报警H, 第二个显示低温报警L, 另外还有灯光报警, 当温度超过上限时红灯亮, 当低于下限时绿灯亮, 第三个显示当前温度对应的DS18B20, 第四五六个显示整数部分范围是-55℃～125℃, 此处第四位显示百位数或者负号, 剩下的显示小数部分, 采用的扫描方式为动态扫描, 轮流显示。

3 软件设计

软件系统流程图

AT89C51对温度的实时检测、显示采用KeilC51语言编程。流程图如图4。

上面流程图是在得到了序列号之后的程序, 下面为获得序列号的流程图, 如图5。

4 结论

本设计实现了多点数据采集实时显示, 是一种低成本的解决方案。经现场调试、运行, 温度测量的准确度、精度都达到了设计要求, 系统运行良好。该方案实现简单、通信可靠、可移植性强, 不但对建筑业而且对于谷物储藏, 农业自动化中的智能温室、物流业中的智能仓库的发展均具有相当的实用价值, 有着广阔的应用前景。

参考文献

[1]DS18B20 Programmable Resolution one-Wire DigitalThermometer, Dallas Corporation, 2002.

[2]崔玮, 许根林.DSP和DS18B20的温度测量系统[J].微计算机信息, 2007, 5 (2) :166-168.

[3]陶冶, 袁永超, 罗平.基于DS18B20的单片机温度测量系统[J].农机化研究, 2007, 10:160-164.

篇4：单总线协议转换器在分布式测控系统中的应用

关键词：液压支架,测控系统,CAN总线,抗干扰

0 引言

自20世纪70年代我国开始发展综合机械化采煤以来, 液压支架技术在我国煤矿井下开采工作面得到了普遍的应用, 极大地改变了煤矿生产面貌和安全形势。液压支架试验测控系统在发展我国煤矿综采机械化方面也起到了非常重要的作用。

目前, 液压支架试验台测控系统中采用1台主机负责监控整个系统, 控制柜与现场仪表间的数据通信采用4～20 mA电流模拟信号或0～5 V电压信号传输, 一对一单独传送信号, 占用了较多的系统线缆, 给布线安装、后期系统升级及故障排除等带来了很大的麻烦。为此, 笔者采用CAN总线构建了液压支架分布式测控系统, 提高了液压支架检测的综合自动化信息化水平, 简化了布线, 进一步提高了系统的可靠性、实时性, 进而实现了更加精确的控制, 为构建开放式互联网试验室提供了理论依据和技术支持。

1 CAN总线的特点

CAN (Controller Area Network) 即控制器局域网络, 是一种具有国际标准的现场总线。由于其高可靠性、灵活性以及独特的设计, CAN总线越来越受到人们的重视并被广泛应用于航海、航空、医疗及工业现场领域。CAN总线的特点:

(1) 通信方式灵活。CAN既可以采用多主通信方式, 也可以采用单主多从的通信方式。

(2) CAN总线采用非破坏性仲裁技术, 当多个节点同时向总线发送信息时, 优先级较低的节点会主动退出发送, 而最高优先级的节点可不受影响继续传输数据, 从而大大节省了总线冲突仲裁时间。

(3) 通过报文滤波即可实现点对点、点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据, 无需专门的“调度”。

(4) CAN的直接通信距离最远可达10 km (传输速率为5 kbps以下) , 通信速率最高可达1 Mbps (通信距离最长为40 m) 。

(5) CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路, 目前可达110个, 报文标识符可达2 032种 (CAN2.0A) , 而扩展标准 (CAN2.0B) 的报文标识符几乎不受限制。

液压支架测控系统是一种分布式控制系统, 而CAN总线自身的特点使CAN总线能够有效地支持分布式控制。结合CAN总线在分布式控制系统中的成功应用经验以及液压支架测控系统的特点, 将CAN总线应用于液压支架测控系统具有较大的优势。

2 系统的总体构成

液压支架测控系统主要由传感器、执行器、CAN总线接口模块、EPP接口卡、计算机等组成, 如图1所示。

采用CAN2.0A总线协议组网, 即由11位二进制数组成数据块编码, 在理论上可任意扩展CAN总线。CAN总线接口模块包括A/D、DI输入模块和继电器输出模块, 完成总线协议及传输层的功能。A/D、DI输入模块分别将输入的模拟电压信号和数字编码信号转换成标准CAN2.0A格式的报文。继电器输出模块接收来自CAN总线的数据, 经MSC1210处理后送到锁存后输出, 驱动继电器动作。EPP接口卡由总线控制器 (采用Philips SJ1000) 、总线收发器 (采用82C250[2]) 组成。其中, SJ1000含有64 B的FIFO缓冲器, 与CAN2.0A、CAN2.0B协议兼容, 实现物理层与数据链路层的功能, 82C250与SJA1000和物理总线之间的接口提供对总线的驱动发送功能和对SJA1000的差动发送与差动接收功能[1]。

3 软件设计

主应用程序实现对硬件的参数设置、数据处理、显示、存储、曲线绘制以及对执行设备的控制, 通过调用静态链接库提供的接口函数从CAN总线收发数据。静态链接库实现总线控制器的初始化和读写、封装与硬件通信的接口函数, 避免主应用程序直接与硬件通信。

3.1 软件功能结构

本软件以Windows2000 操作系统作为开发平台, 开发工具为Visual C++6.0, 主要实现以下4个功能:

(1) 处理来自CAN总线接口卡的中断, 从EPP接口读取来自CAN总线的报文并将其按自拟的协议转换为对应的实时数据。

(2) 对数据进行处理并存储, 通过人机界面显示各参数的实时数据。

(3) 实现控制算法, 控制泵站调压阀动作, 以满足试验时所需泵压达到设定值。

(4) 在人机交互的操作界面上直观地显示设备的运行状况, 并提供设备手工软操作的按钮。

3.2 耐久性寿命程序

在液压支架试验中, 耐久性寿命试验是一项重要的考核内容。

耐久性寿命试验程序流程如图2所示。首先卸荷电磁阀F1断电, 调整泵压到设定泵压 (误差为±2 MPa) ;初撑电磁阀F2带电, 进行液压支架初撑;充液电磁阀F4带电, 进行增压器充液, 同时绘制当前压力时间曲线, 如果测量泵压大于0.9倍设定泵压, 则进行“当前压力”是否小于或等于“设定泵压加2 MPa”判断, 满足条件则降柱电磁阀F5带电, 否则增压电磁阀F3带电。如当前压力大于0.975倍试验压力且小于1.075倍试验压力时, 采集最大压力值并保压T2 s (设定为2 s) , 计数器加1, 进行下一次循环;当计数器次数等于设定次数时, 退出程序。

F1—卸荷电磁阀;F2—初撑电磁阀;F3—增压电磁阀; F4—充液电磁阀;F5—降柱电磁阀;Yc1—测量泵压;Yc2—当前压力; Pb—设定泵压;Pc—试验压力;N—设定试验次数; T2—保压时间;T3—降柱时间

3.3 界面设计

界面设计主要包括液压支架型式试验主界面、支架信息设置界面、单动界面、支架试验主体界面、历史打印记录界面、报警界面等的设计。支架试验主体测控界面主要实现液压支架试验的基本参数显示、实时曲线的绘制、及试验目前状态显示等 (图略) 。

4 结语

采用现场总线控制的液压支架分布式测控系统具有高可靠性、低成本、低功耗、抗干扰能力强等特点。经过一年多的实际应用, 该系统运行稳定, 通信快速可靠, 具有较高的实时性, 实现了精确控制。

参考文献

[1]薛美盛, 胡振华, 秦琳琳, 等.基于CAN总线的温室可控环境综合测控系统软件设计[J].测控技术, 2006, 25 (10) :61~64.

篇5：单总线协议转换器在分布式测控系统中的应用

关键词：飞机维修,非标测控方案,分布式系统,系统集成

随着空军新机型的发展, 设备寿命检测时间不断延长, 增加了维修作业量。为了在大规模工作中, 顺利进展维修工作, 必须及时寻找一种新技术, 主要解决专用测试仪器和非标测控设备存在的问题。

1 构建分布式测控系统模型

分布式测控系统主要由计算机系测控系统和分布式测控系统结构模型、分布式测控系统实现模式等四部分组成。可以由很多台计算机或处理机器连接起来, 每个处理单元具有自己独立的处理和储存器, 通过信息交换实现共同目标。计算机硬件、分布式控制任务处理和编程语言是组成分布式测控系统的主要部分。实现分布式测控系统的时候, 可以按照总体系统要求实现数据处理和系统协调, 共同控制任务进展。分布式测控系统结构模型有四种形式,

1.1主从模式

主从处理机不会直接进行对象的测试和控制, 主要进行系统指挥、进程控制和协调等任务, 处理机完成对象的测试和控制等任务。

1.2 并行模式

这种模式和主从模式没有关系, 主要由很多台处理机担当并处理任务。处理任务的时候, 通常将大任务划分不若干个小任务, 每台处理机分别担当并完成任务, 任务性质决定处理器性质。

1.3 混合模式

此种模式是以上两种模式的综合, 可以处理处理器不能完成的任务, 具有高性能特大分布系统。

1.4 实现模式

保证模块具有并行性、自治性、可用性和透明性等基本属性。在实际应用中必须对测控对象要求、任务构成和系统构成成本以及开放研制周期等因进行考虑。

2 飞机火控雷达天线部件的特点和要求

飞机火控雷达天线部件是一种技术参数高的系统, 可以在脱机状态下进行, 对修理工厂要求特别严格, 必须满足结构性能协调好、数据库容量大和控制度高等功能。

2.1 控制参数

第一速度控制参数。进行性能测试的时候, 必须对直流电机施加速度控制参数进行控制, 然后使用扫描移动等方式, 实现扫描速度高、中、低等三个档位的控制[2:46-49]。第二, 方向控制参数。对天线移动速度控制的同时, 还需要对天线方向位置、方位角俯仰角、倾斜角等进行控制。

2.2 反馈参数

反馈参数由位置反馈参数、速度反馈参数和极限反馈参数组成。为了保证天线方向位置精确, 可以对编程器方位角、俯仰角和倾斜角等位置信号参数进行控制;为了精准控制俯仰、倾斜等、方位三个角度转动速度, 必须使用速度传感器对转动速度信号进行控制。除此之外, 天线在极限位置的信号也应该得到反馈。

2.3 性能测试参数

(1) 运动性能测试。分别进行高、中、低三挡的单自由度和全方位符合运动, 检测天线运动机的机械性能。

(2) 静态性能测试。对天线零件位置、机械磨损和间隙性能进行测试。

(3) 极限位置性能测试。检测极限位置能否达到出厂需求。

(4) 信号性能测试。对天线转动进行性控制的同时, 还应该对接收位置参数进行测量, 找出功率位置后, 利用测试数据检测天线能付符合出厂要求。

3 飞机防火控雷达天线部件性能测控系统解决方法

3.1 系统结构模式

主从结构模式是火控雷达部件性能测控系统中比较常用的模式。

3.2 系统实现方式

将研华工业控制机作为工业主处理机, 利用串口传递数据和信息, 作为下位机功率测试仪工作, 试下天线位置和功率测试值的协调。选用化光电子有限公司生产的可编程控制器作为编程能控制器, 根据主处理机的指令和任务, 分被对天线位置和运动进行控制, 然后进行反馈参数配置, 同时实时传输位置数据。可编程功率仪采用该公司配置的E4419B双通道高性能编程功率仪, 可以达到很高的频率读取参数, 满足雷达天线接受测试, 并利用串口向处理器传输实时数据。

4 飞机火控雷达天线部件性能测控的解决

进行硬件配置的时候, 必须按照系统功能及时解决软件方案, 保证软件结构模块化。控制机是主处理机, 进行下位机协调控制的同时, 可以进行数据处理、查询、打印和网络传输, 而且进行无人操作, 必须对数据库和软件开发平台进行选择。

进行控制的时候, 系统可以根据用户要求和习惯使用Windows98 操作系统;还可以柑橘软件功能, 选择变成语言;悬着数据库的时候, 可以根据数据容量选择。可编程控制器是一种相对成熟的产品, 编程语言非常的丰富而且人性化, 包含梯形图、指令助记符、布尔代数等多种类型。系统可以根据开发人员的习惯和PLC, 选择Direct Soft语言, 并使用梯形图进行编程。

可编程仪器标准命令和HP437B是可编程功率仪给用户提供的语言, SCPI是功率出厂设置语言。由于系统采用了RA232 通讯口, 所以可以使用SCPI进行编程。频率发生装置和通用的INTEL51 具有指令系统、功能单一和编程简单等特点。

系统采用分布式结构之后, 尽量使用编程可编程且较成熟的结构, 同时给每个处理单元一定的额编程语言, 并配备自动检测程序, 完成系统集成之后, 对系统测试程序进行考虑, 快速判断系统功能障碍。

5 结束语

分布式测控系统是目前使用最广泛的实现方式, 主要利用先进和成熟的编程仪器、设备和技术, 实现系统模块化, 具有灵活集成、开发成本低、开发周期短暂、可靠性高、方便维护和简单操作等特点, 优化了方案, 降低了维修成本, 给专用测试设备鉴定了基础。

参考文献

[1]刘积仁, 王兴伟, 张应辉.分布式多媒体技术导论[M].北京:电子工业出版社, 2014, (07) :102-104.

[2]赵宏支.支持分布环境中应用客体间合作通信的协会模型及其结构[D].东北大学, 2010, (04) :123-125.

篇6：单总线协议转换器在分布式测控系统中的应用

1 瓦斯监控系统的方案设计

基于LonWorks总线的瓦斯监控系统在主干矿道中敷设光纤环网作为主干网,子网采用LonWorks电力线或双绞线控制网络,音频视频设备、瓦斯检测监控设备就近接入网络。该网络架构中每一个子网设备的数据通信都在网络控制器的一侧进行,不会影响主干网的数据吞吐量,提高了网络的可靠性[1]。干网处理整个网络的数据信息速率较快,保证了数据的及时处理,防止数据通路的阻塞,提高了网络的实时性。整个系统包含3层结构:第1层为井下现场控制(监控分站),第2层为中间管理(网络控制器),第3层为地面的监控中心(工作站),如图1所示。

监控分站不仅具有频率型模拟量(甲烷、风速、风压、一氧化碳、温度等)采集与显示功能,还具有开关量(风筒开关、风门开关、烟雾、设备开停等)采集及显示功能。网络控制器内部主要由光纤交换机、光纤收发器和路由器组成,其中路由器将LonWorks现场网络与光纤环网无缝衔接,光收发器为井下视频扩展接口,通过光纤交换机将其和路由器挂接到光纤主干网上。监控中心对井下现场设备实时遥测、遥信和遥控,现场数据通过光缆网络传送到工作站,经处理后实时显示在CRT上。工作站的遥控命令通过光纤主干网传至井下终端设备,并通过以太网与服务器连接,实现与局级监控中心数据共享。

2 监控分站的硬件设计

瓦斯监控系统底层监测任务主要由监控分站完成,监控分站主要由Neuron3150中央控制模块、开关量/模拟量输入模块、开关量输出模块和显示实模块构成,是瓦斯监控系统最核心的设备。

2.1 中央控制模块设计

中央控制模块基于Neuron3150芯片,预留的IO0~IO10接口供扩展外围电路,如图2所示。Neuron3150通过74HC00与非门和2个74HC32或门组成的逻辑电路实现存储器AT29C512扩展,当A15=0、~E=0、R/~W=0时为写操作,A15=0、~E=0、R/~W=1时为读操作,读写的地址空间为32 kB。Neuron3150芯片通过收发器FTT-10A将监控分站挂接到LonWorks双绞线上,FTT-10A的TXD、RXD分别与Neuron3150的CP0、CP1相连。由二极管D3、D4构成NET-A和NET-B引脚间的差动缓冲电路,电容C2为静态放电电容,这一结构保证了静态放电的安全性。连接到T1、T2端的D1、D2组成更高一级的泄放通道,保证通过前级缓冲电路后剩余的瞬态能量不对FTT-10A和Neuron3150造成扰动。采用MC33164对Neuron3150进行低电压监测复位,提高了复位电路的可靠性。

2.2 模拟量输入通道硬件设计

监控分站的模拟量输入通道模块采用MAX186设计,如图3所示。MAX186的CS、SSTRB、SCLK、DIN、DOUT等管脚依次与IO0、IO1、IO8、IO9、IO10连接,实现与中央控制模块的通信,其中 IO0 用于对 MAX186的片选,IO1用于检查转换结束标志,IO8 提供时钟信号输出,IO9 用于串行数据输出,IO10 用于串行数据输入。当CS 为低电平时,Neuron3150在SCLK 的每一个上升沿把一位数据从 DIN 送入MAX186的内部移位寄存器。在CS 变低后第1个进入移位寄存器的高电平为MAX186控制字节的最高有效位,在此之前与时钟同步送入移位寄存器的任意个信息均为无效。

2.3 显示电路硬件设计

将采集的数据用常用的七段发光二极管来显示瓦斯的浓度,在井下相对较暗的环境里使工作人员能在一定距离内直观、方便、清晰、实时地获取瓦斯浓度值。在显示模块中选用新型显示器件MC14489,其是一种高集成度的LED显示驱动器件。Neuron3150的IO8与MC14489的CLOCK连接,用作时钟信号输入;用IO9与MC14489的DATAIN连接,用作串行数据输入;用IO0与MC14489的EN连接,用作使能输入,如图4所示。

由于MAX186和MC14489复用IO0、IO8、IO9,可通过数据锁存器实现分时复用。在EN有效周期内,每个CLOCK时钟的上升沿将数据输入端的数据锁存到片内移位寄存器中。报警电路由蜂鸣器、发光二极管组成,当瓦斯浓度超过设定值时,节点会发出声光报警信号,IO6管脚接蜂鸣器,IO7管脚接发光二极管。

3 系统的软件设计

Neuron3150的程序设计采用Neuron C语言,是在标准C基础上进行了自然扩展,支持Neuron3150芯片的固化软件,加入通信、事件调度、分布数据对象和IO功能,为分布式LonWorks环境提供了特定的对象集合及访问这些对象的内部函数。整个软件的设计流程如图5所示。

Neuron3150的开关量采集和输出程序是将相应的IO口声明为位输入/输出对象即可,通过Neuron C独有的调度程序When()、对象事件函数io_changes()和预定义函数io_out()实现。

Neuron3150与MAX186和MC14489的数据交换通过主控式Neurowire I/O对象,在Neurowire对象中,Neuron3150芯片要利用io-in()和io-out()2个函数完成与MAX186和MC14489的数据交换。Neurowire对象声明格式为[2]

io-8 neurowire master|slave [select(pin)] io_object_name;

其中:io-8为指定管脚io-8;master为指定Neuron芯片在管脚io-8上提供时钟,其被设置为输出管脚;slave为指定Neuron芯片检测在管脚io-8上提供时钟,其被设置为输入管脚;select(pin)为Neurowire master对象指定片选管脚;io_object_name为该io对象的名字。根据设备的任务,软件的主要功能是从MAX186采集数据,然后送到MC14489控制的七段码显示器上进行显示。

4 系统联动与网络变量捆绑

系统实现矿井每个作业面的子网与主巷道的干网的联动,需要网络变量的捆绑过程,通过这个过程配置系统,以确定从系统要求网络变量的设备的逻辑地址来发送合适的数据。当固件收到了应用程序所需要的输入网络变量的更新数据时,就把其放到一个特定的单元。应用程序知道在这个单元找最新的数据,捆绑就将一个设备的输出网络变量和另一个设备或设备组的输入网络变量之间建立了逻辑的连接。网络变量是LonTalk协议的表示层的数据项,整个系统通过网络变量将实现主巷道设备与作业面设备中间的信息交互,Neuron3150应用程序赋值给输出网络变量,然后Lontalk协议透明地将修改后的值构成网络变量消息并将该消息传递到网络层,网络层将地址信息附加到消息中后将传递到介质访问控制层(MAC),MAC层再附加上更多的信息到网络变量消息中,并将消息传递到通道上能与之共享该网络变量数据的其他设备,接收节点接收到数据后也是一层层的拆包,并检验数据是否正确,这样经过两级的打包检测,保证数据正确率达100%[3,4]。网络变量捆绑原理如图6所示。

5 试验与结论

系统在分站与传感器间距不小于2 km,分站与分站、分站与网络控制器间距不小于20 km,网络控制器与地面以太网间距不小于30 km的情况下,通过LonMaker和LonScanner测试表明:系统工作正常,控制执行时间不大于1 s,传输误码率小于10-6,相对于主从联网方式,基于LonWorks分布式系统解决了大量信息传输过程中主站成为影响系统性能的瓶颈问题,而且这种分布式布线可以节省安装费用60%以上,能够适应煤矿高产、高效、安全的需要。

参考文献

[1]杨帅,薛岚,成建生.基于Slave_B并行传输模式的双绞线LON节点[J].仪表技术与传感器,2011(5):48-50.

[2]高安邦.LonWorks技术开发与应用[M].北京:机械工业出版社,2009.

[3]成建生,杨帅,薛岚.采用并行接口模式的LonWorks监控系统的设计[J].矿山机械,2010,38(12):62-65.