冗余CAN總線遠程數據采集系統(tǒng)設計與研究

　1 引 言

　　隨著計算機應用技術在工業(yè)控制領域的推廣及其自身的革新，以工業(yè)現場總線為應用背景的網絡控制系統(tǒng)在業(yè)界被廣泛使用和推廣。CAN總線作為工業(yè)現場串行總線的一種，因其具有較高的位速率和極高的抗電磁干擾能力，能偵測和處理產生的任何總線錯誤，并且具有高可靠性、實時性和靈活性，在監(jiān)測和控制系統(tǒng)中倍受青睞。然而傳統(tǒng)的工業(yè)現場遠程數據采集系統(tǒng)主要通過單總線傳輸，往往因為總線通訊故障而影響系統(tǒng)工作效率，不利于遠程監(jiān)測和控制，在某些控制領域里甚至存在很大危險，造成難以維護，系統(tǒng)監(jiān)測數據不連續(xù)、難以管理和監(jiān)測效率低下等缺點。

　　通過將冗余CAN總線技術應用到現場遠程數據采集傳輸系統(tǒng)中，采用嵌入式控制方式很好地解決了上述問題。

　　2 遠程數據采集系統(tǒng)的組成

　　考慮到工業(yè)現場的環(huán)境比較復雜，為提高系統(tǒng)工作的可靠性和抗干擾能力，本系統(tǒng)設計采用嵌入式智能系統(tǒng)作為數據采集器，以PC104系統(tǒng)作為嵌人式信息處理單元，通過冗余CAN總線接口開放式互聯(lián)的結構組成采集系統(tǒng)。系統(tǒng)的組成框圖如圖l所示。系統(tǒng)由信息處理單元、遠程嵌人式采集器、狀態(tài)顯示、外圍控制和維護接口等輔助接口單元組成，嵌人式信息處理單元和遠程數據采集器配置雙CAN總線接口。

　　嵌入式信息處理單元是該系統(tǒng)的主控單元，是系統(tǒng)信息處理的核心。它主要負責信息的采集和管理，并將采集信息處理后定期送往數據存儲單元和數據顯示單元，同時解析來自維護接口的用戶指令，根據指令要求執(zhí)行相應的采集器維護命令和主控單元本身的日常維護。遠程數據采集器周期接收信息處理的采集指令，周期性地將采集數據發(fā)給信息處理。系統(tǒng)通過高速網絡接口實現了與其他網絡進行數據交換，可實現監(jiān)控數據的共享和信息綜合。維護接口可提供無線指令響應服務和現場指令響應服務，以滿足本地和遠程的系統(tǒng)維護。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

　　3 遠程數據采集系統(tǒng)的實現

　　本系統(tǒng)的硬件設計重點在于信息處理單元和遠程數據采集器的設計。

　　3．1 信息處理單元設計

　　遠程數據采集系統(tǒng)實現的關鍵是對現場傳感器數據的實時采集、本地和遠程命令的接收與采集信息的轉換和處理。信息處理單元對數據采集器進行正常的運行監(jiān)視、操作、測量記錄和統(tǒng)計分析、故障運行的監(jiān)視、報警和事件順序記錄與運行操作，緊急控制、維修狀態(tài)信息處理等功能。

　　信息處理單元采用x86架構的PC104計算機系統(tǒng)和CAN總線接口卡組成。盛博SCM一7020B是一款“all～in—one”PC／104 CPU模塊¨ ，它在板上集成了10／100Base—T以太網接口及高性能圖形處理。采用X86兼容的64位第六代處理器，最高運行速度可達300MHz，外圍接口豐富，同時配置64MB SRAM和1GB CF卡存儲器，并通過以太網接口進行軟件調試和后期維護。為了實現雙CAN總線通訊接口，選用盛博SEM／CSD一4 CAN通訊模塊，該模塊集成了2路獨立的CAN控制器SJA1000，同時還集成4路RS一422串行接口及可配置的8位并行接口，可以直接驅動外部的數字接口，滿足系統(tǒng)維護和遠程數據采集器工作模式設置的需求，對后續(xù)系統(tǒng)升級都留有較大空間。

　　3．2 遠程數據采集器設計

　　遠程數據采集器設計為以C805 1 F040 3 為處理器的智能采集通訊節(jié)點，C8051F040內部集成了數據采集系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數字外設，包括ADC、DAC、電壓比較器、定時器、以及CAN2．0B控制器等，這種高度集成為設計小體積、低功耗、高可靠和高性能的采集系統(tǒng)統(tǒng)提供了方便。系統(tǒng)中遠程數據采集器的硬件結構示意圖見圖2。遠程數據采集器從功能上可分為冗余CAN總線接口、數據采集電路和看門狗超時電路，其中看門狗超時周期為1．6s。為實現冗余CAN總線接口，通過增加一片獨立的CAN控制器SJA1000來實現。

圖2 遠程數據采集器硬件結構示意圖

　　3．2．1 采集電路設計

　　采集電路結構如圖3所示，外部模擬信號進入采集器后，先經低通濾波，對各種干擾信號進行一定的抑制后，送入放大器，再進入帶有l(wèi)2位ADC的C8051F040進行數據采樣和增益轉換。

圖3 遠程數據采集器不意圖

　　在實際的工程應用中，由于被采集信號遠離采集器，以致兩者的地電位存在一定的電勢差，不可避免地存在干擾和傳輸網絡阻抗不對稱引人的誤差。因此。測量電路必須選擇有較高的輸入阻抗和共模抑制比的集成運放，同時可采用差動輸入方式和無限增益電壓負反饋放大。