基于CAN總線的數(shù)字式傳感器群管理系統(tǒng)
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傳統(tǒng)的測量手段和傳感器存在很大的缺陷，就溫度檢測為例，早期的溫度測量采用的是熱電偶電橋法，雖然這種方法測量精度較高，但是測試過程復雜。即使采用集成的半導體模擬溫度傳感器，但在測點相隔相對較遠、測點較多的場合，需要大量的傳輸電纜，不但傳輸干擾大，且成本高和不易維護。這些都是采用模擬傳感器構(gòu)成檢測系統(tǒng)常遇到的困難。
1 新型的數(shù)字化傳感器
近年來出現(xiàn)的新型數(shù)字式傳感器組成的檢測系 統(tǒng)解決了上述的困難。
用數(shù)字信號取代原來的4～20mA標準模擬信號，進而提高可靠性和抗干擾能力。這就要求傳感器由可輸出4～20mA標準信號的變送器改變?yōu)閹?shù)字總線接口并輸出數(shù)字信號。所有現(xiàn)場傳感器通過數(shù)字總線接口都方便地掛接在一條環(huán)形現(xiàn)場總線上，這樣可以大大削減控制室之間一對一的連接導線，節(jié)約初期安裝費用，大大簡化整個系統(tǒng)的布線和設計，這種節(jié)約對一個大型、多點測量系統(tǒng)是很有意義的。
所謂數(shù)字傳感器就是一種帶有微處理器兼有檢測和信息處理功能的傳感器，傳感器系統(tǒng)的功能由以往的信息檢測擴展到兼有信息處理功能，它采用了半導體集成電路和微控制器的最新技術(shù)，在一個傳感器上集成了參量測量芯片、數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換芯片、計算機接口芯片、存儲芯片等多個功能模塊，除了完成參量檢測功能外，還具有自校零、自標定、自校正和自動補償功能。某些高級的數(shù)字傳感器甚至還具有自動檢驗、自選量程、自尋故障、數(shù)據(jù)存儲、記憶功能；具有雙向通訊、標準化數(shù)字輸出或者符號輸出功能；具有判斷、決策處理功能。
數(shù)字式傳感器常采用串行數(shù)據(jù)總線技術(shù)與外界通訊，串行總線除了減少接口引腳的數(shù)目外，還可以將多個傳感器并聯(lián)或串聯(lián)在總線上，方便的實現(xiàn)分布式測量。目前在數(shù)字溫度傳感器中采用的串行總線主要有Philips公司的I2C總線、Motorola公司的SPI總線、National Semiconductor公司的Microwire plus總線和Dallas Semiconductor公司的1 Wire總線等。
2 CAN總線功能與特征
CAN屬于總線式串行通信網(wǎng)絡，與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有較高的可靠性和較強的實時性。其特點如下：
（1）CAN為多主方式工作，而不分主從，通信方式靈活，且無需站地址等節(jié)點信息。
?。?）CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間，尤其是在網(wǎng)絡負載很重的情況下也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡癱瘓的情況。
?。?）CAN的直接通信距離最遠可達10 km；節(jié)點數(shù)目前可達110個，通信速率最高可達1 Mbps，數(shù)據(jù)幀帶CRC校驗，出錯率極低。
?。?）CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響。
3 系統(tǒng)總體方案設計
整個系統(tǒng)分兩級管理（見圖1），上位機采用了一般的PC機，配置為賽揚667／128 M／30 G／17英寸純平彩顯，PC機通過CAN接口適配卡與CAN總線相連，與下位機進行信息交換，負責對整個系統(tǒng)進行監(jiān)控及給下位機發(fā)送各種操作控制命令和設定參數(shù)。下位機通過擴展CAN接口芯片掛接在CAN總線上，接收上位機的設置和命令。下位機的數(shù)量取決于控制現(xiàn)場的規(guī)模，最多能掛接110個CAN節(jié)點。一個下位機管理若干個數(shù)字式傳感器，傳感器的個數(shù)依實際需要決定。
下位機與傳感器通過串行數(shù)據(jù)總線連接，不同公司的產(chǎn)品支持不同的串行總線，這里采用了Philips公司的I2C總線，下位機的作用主要是控制傳感器進行數(shù)據(jù)采集，并與主機進行數(shù)據(jù)通訊，下位機內(nèi)置的單片機接收主機的指令，完成對傳感器的 尋址、序號設定、數(shù)據(jù)傳輸以及CRC校驗等工作，并提供傳感器自身的故障檢測和處理。
4 硬件結(jié)構(gòu)
PC機與CAN總線的接口由CAN通信接口卡PCCAN完成，PCCAN為北京三興公司開發(fā)的智能適配卡，該卡上有高性能的嵌入式微處理器80C188，有2 KB的高速雙口RAM直接映射到主機內(nèi)存空間。操作時，用戶通過軟件設置將卡上的雙口RAM映射成PC機的物理內(nèi)存，這樣用戶收發(fā)數(shù)據(jù)就相當于直接向內(nèi)存讀寫數(shù)據(jù)，從而極大的提高了通信卡和PC總線的數(shù)據(jù)交換速率。連接時，只要將PC－CAN插入PC的ISA總線擴展槽，再將卡上的DB—9插座按CAN標準與雙絞線相連即可。
CAN硬件接口電路由單片機、CAN協(xié)議控制器、CAN總線收發(fā)器組成（見圖2），CAN控制器主要由實現(xiàn)CAN總線協(xié)議部分和與微控制器接口部分電路組成。對于不同型號的CAN總線通信控制器，實現(xiàn)CAN協(xié)議部分電路的結(jié)構(gòu)基本相同，而與微控制器接口部分的結(jié)構(gòu)及其方式存在一些差異，這里采用Philips的82C200為CAN協(xié)議控制器，它具有完成高性能通信協(xié)議所要求的全部必要特性，通過簡單連接可以完成CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能，應用層功能可以由微控制器完成。
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