今日頭條
官方微信
官方抖音
案例頻道
呂強(qiáng) 耿慶鋒 蘇奎峰 喬志剛
在當(dāng)今社會(huì)，人們的物質(zhì)生活水平面日益提高，對(duì)商品的質(zhì)量要求越來(lái)越高。這樣，商品的存儲(chǔ)環(huán)節(jié)的工作變得愈顯重要，這關(guān)系到商品的質(zhì)量保持的時(shí)間長(zhǎng)短與否。而對(duì)存儲(chǔ)最基本的要求就是存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的溫度、濕度要求等。現(xiàn)在的存儲(chǔ)環(huán)境條件檢測(cè)大多是靠機(jī)械式儀表來(lái)進(jìn)行，而且是利用人工定時(shí)進(jìn)行記錄數(shù)據(jù)，結(jié)果是數(shù)據(jù)精度低、不夠?qū)崟r(shí)。有一些大型倉(cāng)庫(kù)是采用了電子檢測(cè)設(shè)備，但也是主要進(jìn)行局部檢測(cè)，不能覆蓋整個(gè)倉(cāng)庫(kù)區(qū)域。且當(dāng)檢測(cè)位置多、檢測(cè)數(shù)據(jù)類型多時(shí)，檢測(cè)裝置的安裝和與主機(jī)的通信都顯得過(guò)于復(fù)雜。這樣，筆者就考慮使用CAN總線技術(shù)，把所有的檢測(cè)裝置用一根線連起來(lái)，就避免了每一單個(gè)檢測(cè)裝置都單獨(dú)與主機(jī)相連的繁瑣，降低了成本，同時(shí)也充分利用了主機(jī)的資源。而CAN總線技術(shù)也能保證不同類型的數(shù)據(jù)信號(hào)在總線上安全的進(jìn)行傳輸。
1 CAN總線簡(jiǎn)介
CAN總線能在極端惡劣的環(huán)境下運(yùn)作，具有抗瞬間干擾的能力，其控制器接口有降低射頻干擾的斜率控制；有較強(qiáng)的檢錯(cuò)能力。CAN節(jié)點(diǎn)可在不要求所有節(jié)點(diǎn)及其應(yīng)用層改變?nèi)魏诬浖蛴布那闆r下被接于CAN網(wǎng)絡(luò)中。由于采用了許多新技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，CAN總線與一般的通信總線相比，它的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。其特點(diǎn)如下：
? CAN為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活。
? 在報(bào)文標(biāo)識(shí)符上，CAN上的節(jié)點(diǎn)分成不同的優(yōu)先級(jí)，可滿足不同的實(shí)時(shí)要求。
? CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)。CAN節(jié)點(diǎn)只需通過(guò)對(duì)報(bào)文的標(biāo)識(shí)符濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)。
? 報(bào)文采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低。
? CAN的每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，具有極好的檢錯(cuò)效果。
? CAN通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)插接件方便地連接。
? CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下，具有自動(dòng)關(guān)閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上其它節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。
2 測(cè)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
環(huán)境參數(shù)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)為基于CAN總線的分布式測(cè)量控制顯示系統(tǒng)，主要用于倉(cāng)庫(kù)等大型空間內(nèi)的各種環(huán)境參數(shù)的測(cè)量、控制與顯示，使環(huán)境參數(shù)達(dá)到物品存儲(chǔ)的要求。
2.1 系統(tǒng)組成
環(huán)境參數(shù)測(cè)控系統(tǒng)包括4個(gè)主要的子系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
(1) 計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)。由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、顯示器和打印機(jī)等組成。
(2) 數(shù)據(jù)傳輸通信子系統(tǒng)。由裝在上位機(jī)上的CAN總線通信適配卡、裝在前端調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的通信卡和數(shù)據(jù)傳輸通信介質(zhì)組成。
(3) 測(cè)量傳感器子系統(tǒng)。由電量傳感器和CCD傳感器組成。
(4) 調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制子系統(tǒng)。由調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、力傳感器和調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)前端機(jī)組成。
2.2 系統(tǒng)工作原理
環(huán)境參數(shù)測(cè)控系統(tǒng)利用傳輸信號(hào)簡(jiǎn)單、通信速率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的CAN總線將一臺(tái)上位機(jī)與一臺(tái)前端機(jī)和眾多的傳感器連接起來(lái)，完成存儲(chǔ)空間內(nèi)的環(huán)境參數(shù)測(cè)量，在經(jīng)過(guò)主機(jī)處理后，再把控制信號(hào)傳給執(zhí)行前端機(jī)，以控制環(huán)境參數(shù)的變化。通信介質(zhì)可采用雙絞線，也可采用75Ω同軸電纜。
電量傳感器和CCD傳感器主要完成環(huán)境中各參數(shù)的測(cè)量任務(wù)。它包括CCD攝像機(jī)、信號(hào)采集板、A/D傳感器、高速緩存等。調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要完成對(duì)環(huán)境參數(shù)的調(diào)節(jié)作用，也就是根據(jù)主機(jī)的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的操作，使各環(huán)境參數(shù)保持在預(yù)先規(guī)定的范圍內(nèi)。它主要由大功率繼電器、傳感器、電流控制裝置、可調(diào)整支架等組成。主機(jī)采用高性能工控機(jī)，具有高抗擾工業(yè)級(jí)電源，硬盤(pán)及機(jī)箱防磁、防塵。作為測(cè)量控制通信中心，主機(jī)主要完成測(cè)控系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)的設(shè)置、測(cè)試通信的分段標(biāo)被測(cè)參數(shù)的整理計(jì)算、參數(shù)顯示、打印輸出、數(shù)據(jù)存盤(pán)及控制調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的調(diào)節(jié)動(dòng)作。如此機(jī)接入了網(wǎng)絡(luò)，也可實(shí)現(xiàn)與其它計(jì)算機(jī)的聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。
3 測(cè)控系統(tǒng)主要分系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 數(shù)據(jù)傳輸通信子系統(tǒng)
此系統(tǒng)由裝在主機(jī)中的CAN總線通信卡，裝在調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的通信卡和數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)組成。在本系統(tǒng)中，方案設(shè)計(jì)為PCI-CAN控制通信卡，CAN控制器卡集成兩路電氣隔離的CAN通道，使工控機(jī)方便地連接到CAN總線上，實(shí)現(xiàn)CAN總線協(xié)議的連接通信。CAN控制器卡整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
圖2 CAN控制器卡整體結(jié)構(gòu)框圖
3.2 調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制子系統(tǒng)
此系統(tǒng)采用單片機(jī)構(gòu)成一個(gè)控制系統(tǒng)。接收來(lái)自主機(jī)的控制信號(hào)，通過(guò)繼電器來(lái)對(duì)機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，以調(diào)節(jié)諸如包括溫度、濕度、氣體壓力和氣體百分比容量等參數(shù)。此系統(tǒng)框圖如圖3所示。
圖3 機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)框圖
4 系統(tǒng)主要軟件設(shè)計(jì)
4.1 CAN總線接口的初始化設(shè)計(jì)
CAN控制器卡的軟件設(shè)計(jì)主要分為三部分：CAN初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送及數(shù)據(jù)接收。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想是：系統(tǒng)上電后，首先對(duì)SJA1000進(jìn)行初始化，配置SJA1000的控制段寄存器內(nèi)容以設(shè)定通信參數(shù)（如：模式、位速率、驗(yàn)收碼、屏蔽碼、字段長(zhǎng)、總線定時(shí)、波特率、輸出特性等）。初始化完成后，SJA1000按設(shè)定值控制CAN總線上的通信。系統(tǒng)是否能正常地工作，初始化程序的設(shè)計(jì)是個(gè)關(guān)鍵。CAN初始化主要是設(shè)置CAN的通信參數(shù)，即通過(guò)對(duì)CAN控制器段中的寄存器進(jìn)行設(shè)置，從而確定CAN控制器的工作方式等。初始化程序的流程圖如圖4所示。
圖4 SJA1000初始化流程圖
總線定時(shí)寄存器的設(shè)置極大地影響了CAN性能的發(fā)揮。一般來(lái)說(shuō)，若硬件連接無(wú)誤，通信失敗的主要原因在于總線定時(shí)寄存器設(shè)置不當(dāng)。它確定了3個(gè)時(shí)間―時(shí)鐘周期、系統(tǒng)周期和位周期之間的關(guān)系。對(duì)BTR0操作，可決定波特率預(yù)分頻器BRP和同步跳轉(zhuǎn)寬度SJW的數(shù)值；對(duì)BTR1進(jìn)行寫(xiě)操作，可決定位周期的寬度、采樣點(diǎn)的位置及在每個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣的次數(shù)。這兩個(gè)寄存器的內(nèi)容，可唯一確定波特率及同步跳轉(zhuǎn)寬度。只有當(dāng)系統(tǒng)中的所有節(jié)點(diǎn)的BTR0和BTR1的內(nèi)容都相同時(shí)，才能正常通信。關(guān)于CAN總線波特率的設(shè)置參見(jiàn)表1。
表1 CAN總線波特率設(shè)置
4.2 驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)
PCI總線接口設(shè)備的一大特點(diǎn)是即插即用。因此，在軟件上必須編寫(xiě)能夠?qū)崿F(xiàn)即插即用功能的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。從廣義上來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)程序就是控制硬件的一組函數(shù)。PCI設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)，就是取得PCI板卡所占用的各種資源（內(nèi)存、端口、中斷和DMA等），并提供給用戶一條可以訪問(wèn)這些資源的途徑。在本設(shè)計(jì)中，由于PCI9052的中斷、I/O端口、映射內(nèi)存等資源都是動(dòng)態(tài)分配的，必須編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序來(lái)管理硬件，才能供用戶編程使用。
WinDriver是專業(yè)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)工具。利用它的驅(qū)動(dòng)程序向?qū)В?/SPAN>Driver Wizard），可以快速測(cè)試新硬件，并生成設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序框架。在寫(xiě)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序之前，重要的一點(diǎn)是確保硬件準(zhǔn)確無(wú)誤。用WinDriver的驅(qū)動(dòng)程序向?qū)?/SPAN>DriverWizard 提供的診斷程序Diagnostic Program來(lái)診斷CAN控制器卡。此診斷程序支持多種類型的芯片，本設(shè)計(jì)采用PCI9052作為PCI接口芯片，由于WinDriver PLX 9050的庫(kù)完全與PLX 9052兼容，可以選擇PLX 9050診斷程序9050Diag.exe，它通過(guò)WinDriver的程序訪問(wèn)硬件。
5 結(jié)語(yǔ)
由于工控機(jī)及先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)的應(yīng)用，大大提高了對(duì)環(huán)境參數(shù)的測(cè)控，并提高了測(cè)控精度。CAN總線的使用使整個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔、緊湊，提高了測(cè)控系統(tǒng)的抗干擾能力，同時(shí)也增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性。接入局域網(wǎng)，可使操作人員遠(yuǎn)距離對(duì)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)