基于CAN总线的设备状态监测系统.pdf
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1、2006年 7月 第 7卷 第 7期 电 力 设 备 Electrical Equipment Jul12006 Vol17 No17 基于CAN总线的设备状态监测系统 汪可询,向 玲 (河北西柏坡发电有限责任公司,河北省 石家庄市050400) 摘要:利用控制器局部网(CAN)总线的灵活、 高速率、 高可靠的数据传输性能研究开发了一套在线设备状态监测系统。 系统采用总线型的拓扑结构和分布式的框架结构。介绍了系统的总体设计,论述了系统的硬件、 软件及实现方法。实践 证明,系统实现了设备的实时在线监测,能提供设备运行参数的准确信息,具有很强的实用性和有效性。 关键词:状态监测;控制器局部网(CA
2、N)总线;单片机;组态软件 中图分类号: TH17 设备状态监测是建立在监测技术、 信号处理、 识 别理论和计算机技术等多学科基础上的交叉学科,计 算机及网络技术的迅猛发展为状态监测仪器和诊断 系统提供了良好的条件。现场总线作为一个开放性 的通信网络,又是一个全分布式的控制系统。它可以 作为智能设备的联系纽带,把所有挂在总线上作为网 络节点的智能设备连接成网络系统,并进一步构成自 动化系统,实现监视和控制。本文利用现场总线的控 制器局部网(CAN)总线技术,开发了一种通用的分布 式数据采集系统。此系统能对多种信号实时在线智 能监测和远程监测集中管理,系统同时具有组态功 能,它能组建监测与诊断局
3、域网、 远程网,并能组建集 设备检测、 诊断、 管理、 决策于一体 的综合化 网 络系统。 1 系统总体设计 系统是一个多机分布式并行处理系统,它以数据 采集器和CAN总线网络为基础,利用组态技术构成 一个企业监测网,实现由现场、 车间到分厂再到总公 司等全方位的在线监测系统。CAN是现场总线的一 种,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行 通信协议。CAN协议的一个最大特点是废除了传统 的站地址编码,而代之以对通信数据块进行编码,数 据块的标识码可由11位(CAN2. 0A通信协议)或29 位(CAN2. 0B通信协议)二进制数表示。因此可以定 义211或229个不同的数据块。这种按数据
4、块编码的方 式,还可以使不同的节点同时收到相同的数据,这在 分布式控制领域非常有用。每帧的数据段长度最多 为8B,足以满足通常工业控制领域中传输控制命令 和测试数据的一般要求,并且,较短的数据帧在总线 上传输的时间较短,从而保证了通信的实时性。CAN 的这些特性,以及极高的可靠性和开放性,特别适合 工业过程监控设备之间的互连。 系统把单个分散的测量控制设备变成网络节点, 以现场总线为纽带,把他们连接成可以相互沟通信 息、 共同完成自控任务的网络系统和控制系统。整个 系统的硬件分为4级,如图1所示。第1级为现场数 据采集系统,它由网络数据采集器、 传感器和通信接 口组成。它是一个单片机应用系统,
5、每个网络采集器 可以采集多达16个测点的数据,为双通道同步采集。 此数据采集器以CAN网络通信方式将数据上传到数 据采集工作站(工控机或PC机 ) , 这种方法保证了高 采样频率和高数据传输,实现了现场数据实时采集。 第2级为数据采集工作站,每个工作站都是一个独立 的监测系统,它不间断地实时在线监测,并能自动记 录、 判断报警、 报表打印。此外还可以联网运行,组成 企业监测网络。第3级为分析管理工作站和Web服 务器。系统的服务器从功能上可分为数据库服务器、 Web服务器、 管理服务器和分析诊断服务器等。本级 可以由现有的企业内部网根据功能扩展得到。第4 级为网上的各个浏览器。第1级和第2级是
6、系统的 基础,也是设计的主要部分。第3级和第4级为功能 补充,根据具体工程项目不同而不同。其中关于Web 服务器和IIS站点的配置不在本论文的研究范围内, 故不进行详细阐述。由于硬件的分布式结构,系统软 件也是上位机和下位机协同实现。图2是整个软件 的组成结构图。其中组态软件用于功能补充,实现系 统总体的第3级和第4级,故不作详述。 2 网络采集器设计 2. 1 网络采集器硬件设计 网络采集器是一个单片机应用系统, CPU采用的 是80C196KC单片机,外围模块有存储模块、 逻辑模 块、 通信模块、AD模块和模拟信号放大等。图3是网 络 数 采 器 的 硬 件 结 构 图。系 统 的CPU采
7、 用 80C196KC微控制器,其丰富的中断系统和指令系统 减少了软件的开销。RAM采用HK12系列NVRAM 存储器,内部有锂电池,不需专门电源,在掉电情况下 60 电 力 设 备第7卷 第7期 图1 系统总体设计 软件系统 下位机软件 通信模块 数据采集和处理模块 事故追忆处理模块 上位机软件 后台软件 通信模块 实时数据处理 事故追忆处理模 前台软件 测试模块 诊断分析模块 下位机参数配置模块 组态软件 图2 软件系统结构图 图3 网络数采器硬件结构 可保证数据10年不丢失。系统A /D部分采用Maxium 公司的芯片MAX125,其核心是一个14位逐次逼近AD 转换器。系统采用CAN总
8、线的通信方式,通信控制器 为新一代的独立CAN通信控制器SJA1000,总线收发 器采用82C250芯片。SJA1000是Philips公司生产的 新一代CAN控制器,具有完成高性能通信协议所要 求的全部必要特性,通过简单连接就可完成CAN总 线协议的物理层和数据链路层的所有功能,应用层功 能可由微控制器完成。82C250是CAN控制器与物 理总线之间的接口,可以提供对总线的差动发送和接 受能力。82C250与CAN总线接口部分采取了一定 的安全和抗干扰措施。82C250的CANH和CANL引 脚各自通过一个5的电阻与CAN总线相连。此电 阻有一定的限流的作用,保护82C250免受过流的冲 击
9、。CANH和CANL与地之间并联了2个30 pF的电 容,可以滤出总线上的高频干扰,并且有防电磁辐射 的作用。另外在2根CAN总线接入端与地之间分别 反接了一个二极管,避免CAN总线上的高负电压。 2. 2 下位机软件设计 下位机软件主要负责系统初始化、 信号采集、 处 理和通信等。程序用C语言编写,采用模块化设计, 每个模块独立完成一个功能,模块之间采用函数调用 的方式组合在一起。根据不同的功能,程序分为3个 部分:主程序、 信号采集与处理程序、 通信程序。主程 序负责程序流程的控制和系统初始化的工作。数据 采集程序主要控制AD转换器、 多路开关、 时钟发生 器等的数据采集工作,主要有AD设
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