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隨著國內(nèi)煤炭、 冶金、 電力、 化工等行業(yè)的迅速發(fā)展, 對皮帶秤、 配料秤、 料斗秤等多種工業(yè)計量裝置及其聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的需求量日益增加。國內(nèi)稱重行業(yè)目前普遍采用 RS- 485 來實現(xiàn)信號的傳輸。隨著對通信要求的提升, RS- 485 通信方式無完整的協(xié)議規(guī)約、 系統(tǒng)實時性差、 通訊可靠性低、 后期維護成本高、 傳輸距離不理想、 應用不靈活等缺點對監(jiān)控網(wǎng)絡的延伸、 功能強化、 應用環(huán)境都有很大的影響。而 CAN 總線作為到目前為止唯一具有國際標準的現(xiàn)場總線技術, 其數(shù)據(jù)通信具有突出的優(yōu)點, 可靠性高、 實時性強和靈活性好, 應用前景非常樂觀 [1 ] 。本文是基于智能稱重儀表 XK3108 的 CAN 總線整體設計, 以滿足大型工礦企業(yè)對配料稱等多種儀表提出的具有現(xiàn)場總線接口功能的需要, 實現(xiàn)儀表與上位機設備的優(yōu)化通信, 將企業(yè)中的皮帶秤、 配料秤等多種計量衡器稱重相關數(shù)據(jù)送入企業(yè)網(wǎng), 實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)共享。

1  CAN 總線與 RS- 485 特點的比較

CAN 總線最早由德國 Bosch 公司推出, 由于其具有高性能、 高可靠性的優(yōu)點及獨特的設計, 因此其應用范圍已向過程工業(yè)、 機械工業(yè)、 機器人、傳感器等領域拓展。 CAN 已經(jīng)形成國際標準 [2 ] , 并被公認為是幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。 CAN 總線的優(yōu)點為通信方式采用非破壞性仲裁技術,按優(yōu)先級不同進行信號傳輸, 傳輸速率高, 距離遠, 易于管理。 RS-485 雖比RS-232 在傳輸距離和抗干擾能力上有了長足的進步, 但它只能構成主從式結構系統(tǒng), 通信方式也只能以主站輪詢的方式進行, 沒有自己的通信協(xié)議, 無故障定位和錯誤處理功能, 運行效率低, 高峰期易堵塞, 同時傳輸距離也同樣受到限制。

2  CAN 總線協(xié)議

根據(jù) ISO/OSI 參考模型, CAN 總線協(xié)議分層如下:

( 1 ) 數(shù)據(jù)鏈路層 ( Data Link Layer ) 。又分為邏輯鏈路控制子層 ( LLC,Logical Link Control ) 和介質(zhì)訪問控制子層 ( MAC,MediumAccess Control ) 。

邏輯鏈路控制子層 ( LLC ) 的作用是為遠程數(shù)據(jù)請求以及數(shù)據(jù)傳輸提供服務, 主要完成報文濾波、 過載通知以及恢復管理等工作。介質(zhì)訪問控制子層 ( MAC ) 的作用主要是傳送規(guī)則, 控制幀的結構、 執(zhí)行仲裁、 錯誤檢驗、 錯誤標定、 故障界定。

( 2 ) 物理層 ( Physical Layer ) 。 物理層的作用是在不同節(jié)點之間根據(jù)所有的電氣屬性進行位的實際傳輸, 涉及到位時間、 位編碼、 同步的解釋。

CAN 總線提供 4 種幀結構進行報文傳輸 ^{[3 ]} , 它們分別為帶有應用數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀、 向網(wǎng)絡請求數(shù)據(jù)的遠程幀、 能夠報告每個節(jié)點錯誤的出錯幀以及如果節(jié)點的接收器電路尚未準備好就會延遲傳輸?shù)倪^載幀。在這4 種幀中, 又可以將一幀分為幾個部分, 每一部分負責不同的功能。

3 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)主要由國家重點新產(chǎn)品 XK3108 配料秤智能稱重儀表 ( 帶 CAN控制器) 、 皮帶秤智能稱重儀表 ( 帶 CAN 控制器) 、 CAN 總線、 上位機 ( 配有 CAN 適配器) 以及遠程管理計算機組成。各稱重儀表通過 CAN 總線將瞬時流量、 累計流量、 皮帶速度等相關數(shù)據(jù)送入上位機, 實現(xiàn)對現(xiàn)場儀表進行集中管理, 同時可由以太網(wǎng)進行遠程數(shù)據(jù)共享, 將相關數(shù)據(jù)送入管理層計算機。

微控制器選用美國模擬器件公司 ( ADI ) 的 ADuC845 , 該芯片集成ADI 公司精密數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、 可編程微控制器 ( MCU ) 和閃速存儲器, 它是一個快速可編程的 8 位單片機 ^{[4 ]} , 具有靈活的在線編程功能。 ADuC845具有看門狗電路、 電源監(jiān)視等功能, 因此該系統(tǒng)可以在強電磁干擾、 波動以及惡劣的環(huán)境下正常工作。微處理器 ADuC845 對 SJA1000 進行初始化后實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸。 CAN 控制器選用具有訪問優(yōu)先權的獨立控制芯片 SJA1000 , 它是 Philips 公司生產(chǎn)的高度集成的通信控制器, 具有較強的抗干擾能力和檢錯、 糾錯的能力, 在 SJA1000 硬件結構中, 包括為實現(xiàn)高性能串行網(wǎng)絡通信所必需的所有硬件。 CAN 收發(fā)器選用 Philips公司的 TJA1050 , 此芯片完全符合 ISO11898 標準, 能提供向總線差動發(fā)送能力和對 CAN 控制器的差動接收能力, 電磁抗干擾能力極強, 電磁輻射極低。為了增強 CAN 總線節(jié)點的抗干擾能力, SJA1000 的 TX0 和 RX0并不是直接與 TJA1050 的 TXD 和 RXD 相連 , 而是通過高速光耦 6N137后與 TJA1050 相連, 這樣就很好地實現(xiàn)了總線上各 CAN 節(jié)點間的電氣隔離, 光耦部分由兩個電源分別供電來實現(xiàn)電氣的完全隔離。 CANH 和CANL 與地之間并聯(lián)了兩個 C103 的小電容 , 可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的作用。
 

4  CAN 總線軟件程序設計

CAN 總線軟件程序設計主要包括主程序 ( 系統(tǒng)初始化、 任務調(diào)度、 喂狗等) 、 SJAI000 初始化程序、 CAN 總線發(fā)送數(shù)據(jù)程序和 CAN 總線接收數(shù)據(jù)程序。SJAI000 在復位模式下完成初始化, 主要設置工作方式、 接收濾波方式、 接收屏蔽寄存器 AMR 和接收代碼寄存器 ACR 、 波特率參數(shù)和中斷允許寄存器等。

SJA1000 初始化程序設置如下:

CANMOD=0x1; // 接收中斷和復位請求

CANCDR=0x8; // 選擇 CAN 模式

CANAMR=0xff; // 接收屏蔽寄存器

CANACR=0x01; // 接收代碼寄存器

CANBTR0=0x09; // 設置波特率

CANBTR1=0x1c; // 定時寄存器 1

CANOCR=0xaa; // 輸出控制寄存器

CANMOD=0x02 ; // 設置單濾波接收方式

CANCMR=0x0e；

5 結語

通過實驗得出 CAN 總線比 RS- 485 總線通信有明顯的優(yōu)越性, 上位機處理事件更及時, 單個模塊出錯不能影響到整個系統(tǒng), 抗干擾性能也提高了許多。因此, CAN 總線有很好的推廣價值, 采用 CAN 總線技術的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng), 以其通信可靠、 抗干擾性好、 傳輸距離遠的特點, 越來越受到人們的重視。

* 本文為 2005 年國家重點新產(chǎn)品計劃儀器儀表基金項目 ( 項目編號: 2005ED630022 ) 論文。

參考文獻

[ 1 ] 郭慶祝 . 基于 CAN 現(xiàn)場總線的船舶機艙分布式監(jiān)控系統(tǒng)的研制[ J ] . 中國海洋平臺, 2005, 20 ( 4 ) :48- 50.

[ 2 ] 徐祥 .CAN 總線在煤礦監(jiān)控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應用 [ J ] . 工業(yè)控制計算機, 2005,18 ( 8 ) :20- 21.

[ 3 ] 呂當俠 . CAN 總線的特點及應用 [ J ] . 航空與航天, 2005 ( 3 ) :16- 18.

[ 4 ] 鄔寬明 . 單片機外圍器件實用手冊 [ M ] . 北京: 北京航空航天大學出版社 , 2001.

 

 

 

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