基于CAN總線遠程振動監(jiān)測系統(tǒng)研究

引言

當前，遠程振動監(jiān)測系統(tǒng)在理論研究和應用系統(tǒng)開發(fā)等方面已取得了一定進展，但在系統(tǒng)可靠性、網(wǎng)絡安全、遠程數(shù)據(jù)實時采集和傳輸、信息共享等方面還存在著許多不足。特別是處于惡劣和復雜環(huán)境下的大型設備，一方面分布地域廣，監(jiān)測點多；另一方面空間位置有限，常常存在嚴重的電磁干擾。因此，采用既實時、靈活和高效，又安全可靠的現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)通訊方式作為設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和傳輸方式十分必要。

CAN現(xiàn)場總線是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網(wǎng)絡總線，最初由德國Bosch公司為汽車監(jiān)測和控制而設計，后被用于其他工業(yè)部門的控制，應用范圍遍及整個控制領域。CAN總線數(shù)據(jù)通信具有安全、可靠、實時和靈活等特點，國際標準化組織為其制定了IS011898標準。

設備工作過程中產生的振動信號常常包含大量的設備狀態(tài)信息，特別是設備早期故障產生以及發(fā)展信息。通過對設備運行時振動信號的采集與分析，一方面可以實時在線監(jiān)測設備的運行狀態(tài)，另一方面可以記錄設備發(fā)生異?；蚬收蠒r的特征信息，據(jù)此可以進行進一步的故障分析和診斷。

1 系統(tǒng)總體架構

整個系統(tǒng)由CAN總線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集器、網(wǎng)絡服務器和客戶端網(wǎng)絡瀏覽三部分組成，如圖1所示。系統(tǒng)通過在所需監(jiān)測的設備上安裝包括振動和其他重要參數(shù)為主要測量對象的各種傳感器，獲取設備的狀態(tài)信息。數(shù)據(jù)采集器對上述信號進行采集并通過CAN總線傳送到應用程序服務器進行分析處理，處理結果存放到數(shù)據(jù)庫服務器。Web服務器負責信息的發(fā)布，客戶端通過瀏覽器訪問Web服務器發(fā)布的網(wǎng)頁，實現(xiàn)對所管轄設備的遠程監(jiān)測和管理。系統(tǒng)一方面采用具有CAN總線功能的網(wǎng)絡數(shù)采器上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)大范圍分布設備的監(jiān)測；另一方面通過Internet／Intranet分布監(jiān)測數(shù)據(jù)和信息，實現(xiàn)跨地域的遠程網(wǎng)絡化監(jiān)測。

圖1 系統(tǒng)總體架構

2 CAN總線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集

在系統(tǒng)架構圖1中，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集器擔負著重要角色，是本系統(tǒng)的核心部分。本文設計的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集器是一個全功能嵌入式多通道信號采集模塊，結構框圖如圖2所示，由傳感器、信號調理、信號變換、16通道模數(shù)轉換、微處理器和CAN總線接口等組成。來自一臺或幾臺相鄰設備的多達16通道包括振動在內的傳感器信號，首先經(jīng)過信號調理電路得到相應的電信號，對于振動傳感器還需要進行所需的變換，如加速度變速度和速度變位移等處理。這些信號經(jīng)過放大、抗混濾波以及極性變換后送到多路開關，模數(shù)轉換巡回采集所有通道信號，微處理器進行必要的處理后再通過CAN總線發(fā)送給應用程序服務器。

圖2 CAN總線數(shù)據(jù)采集模塊框圖

CAN總線數(shù)據(jù)采集模塊采用內核為CIP-51的嵌入式微處理器C8051F060。CIP-51具有標準8052的所有外設部件，同時內嵌符合CAN 2.0A(基本CAN)和CAN 2.0B(全功能CAN)的CAN總線控制器，包含一個CAN核、獨立于C8051的消息RAM、一個消息處理狀態(tài)機以及控制寄存器等。C8051F060的CAN控制器可達到1Mb／s速率。CAN有32個消息對象，每個消息對象有自己的標識掩碼，用于對接收到的消息進行過濾。輸入數(shù)據(jù)、消息對象和標識掩碼存儲在CAN消息RAM中。與數(shù)據(jù)發(fā)送和接收過濾有關的所有協(xié)議處理均由CAN控制器完成，不需MCU干預，使得用于CAN通信的CPU帶寬最小。通過C8051F060特殊功能寄存器可以配置CAN控制器以及接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

CAN總線數(shù)據(jù)采集模塊一方面要完成多通道數(shù)據(jù)采集，另一方面還要進行數(shù)據(jù)通訊，其程序流程如圖3所示。