CAN總線在啤酒發(fā)酵過程控制系統(tǒng)中的應用

引言
隨著人們對啤酒品質(zhì)的要求越來越高,傳統(tǒng)的生產(chǎn)操作或控制方式已不再適應當今的生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)要求,發(fā)酵過程作為啤酒生產(chǎn)過程中至關重要的一環(huán),其控制系統(tǒng)則尤其重要。CAN總線具有結構簡單、通信方式靈活、錯誤檢驗處理等特點尤其基于優(yōu)先權的無破壞性總線仲裁技術,特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設備的互聯(lián)。因此,針對當前啤酒企業(yè)的設備現(xiàn)狀和生產(chǎn)需要,本文將介紹一種采用CAN總線技術進行通信的啤酒發(fā)酵分布式控制系統(tǒng)。

圖1  現(xiàn)場智能節(jié)點結構框圖

圖2  智能節(jié)點CAN總線接口電路

圖3 節(jié)點查詢發(fā)送(左)和中斷接收(右)流程

　圖4  智能適配器USB—CAN硬件原理電路

控制系統(tǒng)總體結構
基于CAN總線的啤酒發(fā)酵分布式控制系統(tǒng)由現(xiàn)場智能節(jié)點、監(jiān)控計算機和CAN控制網(wǎng)絡3部分構成。
現(xiàn)場智能節(jié)點是直接面向生產(chǎn)過程的,主要功能是采集現(xiàn)場發(fā)酵罐的各處溫度和壓力值,按照一定的控制算法對溫度和壓力控制回路中的執(zhí)行器進行控制操作,將現(xiàn)場發(fā)酵罐的運行狀態(tài)信息通過CAN總線通信網(wǎng)絡送至監(jiān)控機,并實時處理監(jiān)控機下傳的各種命令等。
監(jiān)控計算機由一臺PC機構成,另外還有一臺PC機作為熱備份機,一旦某臺發(fā)生故障,另一臺能立即啟動,保證控制系統(tǒng)的可靠性。監(jiān)控計算機的主要功能是：對各現(xiàn)場智能節(jié)點的運行參數(shù)進行設置;通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡實時獲取現(xiàn)場智能節(jié)點的數(shù)據(jù);監(jiān)測系統(tǒng)異常,并根據(jù)故障信息立即發(fā)出相應的聲光報警信號;以友好的圖形界面直觀指示當前各發(fā)酵罐的運行狀況及參數(shù)信息;實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫管理,分類管理保存各發(fā)酵罐的運行數(shù)據(jù),為優(yōu)化工藝提供數(shù)據(jù)資料等。
CAN控制網(wǎng)絡部分主要由智能CAN-PC總線適配器、通信介質(zhì)、接口電路及相應的通信軟件組成。該系統(tǒng)的CAN-PC總線適配器為智能通信適配器USB-CAN,它能方便的實現(xiàn)監(jiān)控計算機與CAN總線之間的連接,高速地完成用戶復雜的通信任務。通信介質(zhì)為雙絞線,負載連接在CAN-H和CAN-L之間,為了抑制信號反射,終端接有阻抗值約120的匹配阻抗。

現(xiàn)場智能節(jié)點設計
本系統(tǒng)中CAN總線接口電路主要在現(xiàn)場智能節(jié)點部分實現(xiàn),為了深入說明CAN總線在啤酒發(fā)酵過程控制中的應用,下面介紹現(xiàn)場智能節(jié)點的總體設計,并給出實現(xiàn)CAN通信的硬件電路和軟件流程圖。
現(xiàn)場智能節(jié)點總體結構
如前所述,啤酒發(fā)酵過程控制系統(tǒng)中現(xiàn)場智能節(jié)點完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和處理、罐體上各執(zhí)行器的控制、智能節(jié)點與監(jiān)控計算機之間的通信等主要工作,監(jiān)控計算機只是完成狀態(tài)監(jiān)測、報警、智能節(jié)點運行參數(shù)修改等工作,因此現(xiàn)場智能節(jié)點的設計是整個系統(tǒng)的關鍵部分。每個現(xiàn)場智能節(jié)點控制一圓柱錐底形發(fā)酵罐,其結構框圖如圖1所示。
考慮到可靠性、性價比等因素,現(xiàn)場智能節(jié)點CPU采用MCS-51系列單片機AT89C52。智能節(jié)點設計采用結構化設計方法,包括三大部分：CAN總線接口部分,CPU、看門狗電路、電源管理及總線地址譯碼部分,I/O接口部分。其中,I/O接口部分主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示與鍵盤輸入、現(xiàn)場信號的A/D采集和執(zhí)行器的控制輸出等工作。
現(xiàn)場智能節(jié)點CAN
接口電路設計
現(xiàn)場智能節(jié)點的設計中,CAN總線網(wǎng)絡接口部分使用了Philips公司的CAN控制器芯片SJA1000和CAN總線收發(fā)器PCA82C250芯片。為了增強現(xiàn)場智能節(jié)點的抗干擾能力,總線收發(fā)器與控制器之間用高速光耦6N137隔離,接口電路如圖2所示。
為了保證SJA1000與AT89C52之間時鐘同步,本設計采用CLKOUT時鐘信號作為AT89C52的時鐘輸入;SJA1000的接AT89C52的端,通過中斷方式與CPU通信;PCA82C250的RS腳上接有一斜率電阻,電阻大小(16~140K)可根據(jù)總線通信速率適當調(diào)整,本設計中取值47K;PC82C250的兩輸出引腳與CAN總線之間各接一個5的電阻,起一定的限流作用,從而保護PCA82C250免受過流的沖擊;為了濾除總線上的高頻干擾并具有一定的防電磁輻射的能力,CAN-H和CAN-L與地之間并聯(lián)了兩個30pF的電容。
現(xiàn)場智能節(jié)點CAN
通信軟件設計
現(xiàn)場智能節(jié)點的CAN通信軟件設計由三大部分組成：SJA1000初始化、數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。節(jié)點的主程序完成對SJA1000的初始化,開放SJA1000的中斷,控制整個發(fā)酵過程,并主動向監(jiān)控計算機傳送發(fā)酵罐的狀態(tài)信息。
對SJA1000的初始化主要是設置CAN的通信參數(shù),如設置模式寄存儲器等。本設計中數(shù)據(jù)發(fā)送是主動的,因而對發(fā)送的處理比較簡單,主程序采用查詢SJA1000的狀態(tài)標識符的方法,只須把被發(fā)送的信息幀送到CAN的發(fā)送緩沖區(qū),并啟動發(fā)送命令即可。為了保證系統(tǒng)的實時性,數(shù)據(jù)接收是通過SJA1000的中斷控制來實現(xiàn)的,在ISR中從接收緩沖區(qū)讀取要接收的信息,同時還要對出錯和數(shù)據(jù)溢出中斷作相應判斷處理。發(fā)送接收流程圖如圖3所示。

智能通信適配器
USB-CAN設計
系統(tǒng)中為了實現(xiàn)上位監(jiān)控PC機與下位現(xiàn)場智能節(jié)點間通信,必須要有一通信適配器來實現(xiàn)CAN總線與PC總線之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡適配器設計中與PC機的通信接口多為ISA總線、RS-232等,雖然它們實現(xiàn)較簡單,可由于帶寬的限制,不能滿足高速傳輸?shù)男枰?而對于流行的PCI總線雖功能強大,可協(xié)議復雜,開發(fā)周期較長,不支持熱插拔且價格昂貴。USB總線具有安裝方便、高帶寬、可靠性高等特點,因此本系統(tǒng)采用了自主開發(fā)的智能通信適配器USB-CAN來實現(xiàn)本系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡與PC機間的通信。
智能適配器
USB-CAN硬件電路設計
適配器硬件電路由三部分組成：CAN總線接口部分、USB總線接口部分、CPU及電源管理部分。CAN總線接口部分的設計與智能節(jié)點CAN接口幾乎相同。CPU采用Philips公司的增強型MCS-51兼容單片機P89C51RD2,內(nèi)置看門狗,時鐘輸出可編程,在6時鐘模式下工作速度為標準C51單片機的兩倍。USB總線接口部分采用Philips公司的PDIUSBD12芯片,其符合USB1.1版本規(guī)范,可與任何外部微控制器/微處理器實現(xiàn)高速并行接口。硬件電路如圖4所示。
為了保證P89C51RD2、PDIUSBD12和SJA1000三者間時鐘同步,外接12MHz晶振的CPU運行于6時鐘模式下,P1.0引腳通過編程輸出6MHz方波作為PDIUSBD12的輸入時鐘,再通過PDIUSBD12的設置模式寄存器編程使CLKOUT引腳產(chǎn)生24MHz的輸出時鐘來提供給SJA1000。PDIUSBD12的INT-N接CPU的端,通過中斷方式與CPU通信; SUSPEND引腳接CPU的P1.4端,用以向CPU指示器件是否掛起;D+引腳信號通過軟連接接1.5K的內(nèi)部上拉電阻,向主機表示為高速設備;為確定USB電纜是否與主機連接,采用EOT-N引腳檢測USB接口的VBUS電壓來實現(xiàn);由于采用多路地址/數(shù)據(jù)總線配置,故A0接高平;此外,D+和D-兩引腳各接18電阻,起到一定的限流作用,以保護PDIUSBD12免受過流的沖擊。
智能適配器
USB-CAN軟件設計
智能通信適配器USB-CAN的軟件即USB固件主要完成兩方面任務：響應來自主機的配置請求,完成對USB外設的列舉操作;負責接收主機的命令并發(fā)送給CAN總線上的節(jié)點,以及接收各節(jié)點的數(shù)據(jù)并經(jīng)USB總線傳送給PC。
USB固件包括主程序、外部中斷0子程序和外部中斷1子程序。在主程序中主要完成SJA1000和PDIUSBD12的初始化操作并開放中斷;外部中斷0子程序處理CAN總線上事件,與智能節(jié)點對CAN總線的處理情況類似;外部中斷1子程序處理USB總線上的事件。
從整個監(jiān)控系統(tǒng)角度來看,軟件設計還包括USB設備的驅(qū)動程序和應用程序等,限于篇幅,在此不作闡述。

結語
具有獨特的設計思想、卓越的性能和極高的可靠性的CAN總線被公認為是最有前途的現(xiàn)場總線之一。基于CAN總線的啤酒發(fā)酵監(jiān)控系統(tǒng)具有可維護性好、易于擴充、可靠性高和成本低等特點,非常適合當今啤酒企業(yè)生產(chǎn)發(fā)展現(xiàn)況。