基于CAN總線的裝備器材庫(kù)智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言

裝備器材科技含量和性能的提高，使它對(duì)溫度、濕度和壓力等保管條件的要求也越來(lái)越嚴(yán)格，為了保證裝備器材的可靠性和裝備器材庫(kù)的安全性，必須加強(qiáng)對(duì)裝備器材庫(kù)的管理與監(jiān)控。

目前，對(duì)裝備器材庫(kù)的溫度、濕度、壓力以及煙霧的監(jiān)控，很大程度上依靠管理人員巡檢和相對(duì)簡(jiǎn)單的監(jiān)控系統(tǒng)，這已經(jīng)不能滿足裝備管理發(fā)展的需要。尤其在環(huán)境急劇變化的情況下，如果管理人員不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并實(shí)時(shí)解決問題，大量裝備器材特別是武器備件、化學(xué)防護(hù)器材和彈藥就會(huì)腐蝕、銹蝕、失效，甚至爆炸，造成難以預(yù)料的后果。針對(duì)以上問題，設(shè)計(jì)了基于CAN總線的智能監(jiān)控系統(tǒng)，它能有效地監(jiān)測(cè)各裝備器材庫(kù)溫度、濕度的變化情況、壓力情況以及有無(wú)火災(zāi)發(fā)生等情況，可實(shí)時(shí)報(bào)警并通過人機(jī)交互界面進(jìn)行顯示，具有成本低、應(yīng)用廣、使用方便且可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

CAN總線是一種多主機(jī)控制局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，具有物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、多主節(jié)點(diǎn)、無(wú)損仲裁，它可靠性高、擴(kuò)充性能好。CAN總線能有效支持分布式控制系統(tǒng)的串行通信網(wǎng)絡(luò)，一方面，其通信方式靈活，可實(shí)現(xiàn)多主方式工作，還可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)等多種數(shù)據(jù)收發(fā)方式；另一方面，它能在相對(duì)較大的距離范圍間進(jìn)行較高位速率的數(shù)據(jù)通信。本系統(tǒng)是由上位機(jī)對(duì)多個(gè)并列的裝備器材庫(kù)監(jiān)控單元進(jìn)行控制管理，各監(jiān)控單元之間要進(jìn)行快速的數(shù)據(jù)傳輸，CAN總線能很好地滿足該系統(tǒng)的要求。

如圖1所示，本系統(tǒng)由上位監(jiān)控機(jī)、CAN節(jié)點(diǎn)0與其它CAN節(jié)點(diǎn)組成。其中，上位監(jiān)控機(jī)為PC機(jī)，各C AN節(jié)點(diǎn)的微控器為TC89LE54RD+， STC89LE54RD+外接CAN控制器SJA1000，外部設(shè)備主要為SHT11數(shù)字溫度、濕度傳感器、PPT-R壓力傳感器和KG8005A煙霧傳感器。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖(略)

上位監(jiān)控機(jī)（PC機(jī)）采用IBM-PC兼容機(jī)，主要負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的接收與管理、控制命令的發(fā)送以及各控制單元?jiǎng)討B(tài)參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示。

CAN節(jié)點(diǎn)0是一個(gè)至關(guān)重要的節(jié)點(diǎn)，它主要有兩個(gè)功能：一是作為上位機(jī)（PC機(jī)）與CAN總線的接口，完成CAN總線數(shù)據(jù)與RS-232接口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，對(duì)智能節(jié)點(diǎn)傳送過來(lái)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行緩存，對(duì)告警信號(hào)進(jìn)行告警以通知維護(hù)人員進(jìn)行處理；二是負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)上位機(jī)與各個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)的通信，以確保各個(gè)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)能夠快速、準(zhǔn)確地傳給上位機(jī)。

監(jiān)控CAN節(jié)點(diǎn)為智能型的監(jiān)控模塊，以單片機(jī)為核心，主要負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理并將處理過的數(shù)字信號(hào)通過CAN通信控制器SJA1000送入CAN總線，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)裝備器材庫(kù)的壓力、溫度、濕度和煙霧的測(cè)量。一般情況下，智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)會(huì)把監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，定期上傳給上位機(jī)，并可接受上位機(jī)的輪詢。若超出正常工作范圍則進(jìn)行告警，同時(shí)向上位機(jī)實(shí)時(shí)報(bào)告數(shù)據(jù)。

硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

如圖2所示，監(jiān)控CAN節(jié)點(diǎn)以STC89LE54RD+為微控制器，外圍模塊包 括CAN總線接口模塊、溫濕度采集模塊、壓力采集模塊、煙霧采集模塊以及報(bào)警模塊等。為充分利用STC89LE54RD+的接口資源，除CAN接口模塊外其余均采用串行接口器件，這樣就減小了電路體積，降低了電路的硬件成本。STC89LE54RD+是高速/低功耗且兼容Philips公司51MX內(nèi)核的新一代單片機(jī)，12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)器周期可反復(fù)設(shè)置，內(nèi)部集成有MX810專用復(fù)位電路。執(zhí)行指令的速度為標(biāo)準(zhǔn)8051的12倍，支持在系統(tǒng)編程ISP、在應(yīng)用編程IAP。

圖2 監(jiān)控CAN節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖(略)

CAN總線接口模塊

在本模塊中，我們選用SJA1000作為CAN控制器，PCA82C25作為CAN控制器接口芯片。SJA1000集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可處理通信數(shù)據(jù)幀處理；PCA82C250是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，此器件對(duì)總線提供差動(dòng)發(fā)送能力，對(duì)CAN控制器提供差動(dòng)接收能力，增大通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護(hù)總線，降低射頻干擾，實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)。把STC89LE54RD+的ALE、RD、WR和 SJA1000的ALE、RD、WR相連就構(gòu)成一個(gè)最小系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，通過讀、寫外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的形式來(lái)訪問 SJA1000。將SJA1000的TX1腳懸空，RX1引腳接地，形成CAN協(xié)議所要求的電平邏輯。

圖3 CAN總線接口模塊原理圖(略)

為進(jìn)一步提高系統(tǒng)抗干擾能力，在CAN控制器SJA1000和CAN控制器接口PCA82C250之間加接6N137光電隔離芯片，并采用DC/DC變換器隔離電源；通信信號(hào)傳輸?shù)綄?dǎo)線的端點(diǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生反射，反射信號(hào)會(huì)干擾正常信號(hào)的傳輸，因而總線兩端兩個(gè)124W的電阻對(duì)匹配總線阻抗起著相當(dāng)重要的作用，如果忽略它們，會(huì)使數(shù)據(jù)通信的抗干擾性和可靠性大大降低，甚至無(wú)法通信；PCA82C250第8腳與地之間的電阻RS稱為斜率電阻，它的取值決定了系統(tǒng)處于高速工作方式還是斜率控制方式，把該引腳直接與地相連，系統(tǒng)將處于高速工作方式。在這種方式下，為避免射頻干擾，使用屏蔽電纜作總線；而在波特率較低、總線較短時(shí)，一般采用斜率控制方式，上升和下降的斜率取決于RS的阻值。通常情況下，15kW~200kW為RS較理想的取值范圍，在這種方式下，使用平行線或雙絞線作總線。

溫濕度采集模塊

溫濕度采集模塊采用瑞士Scnsirion公司生產(chǎn)的SHT11數(shù)字溫濕度傳感器，該傳感器具有響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、精度高、功耗低以及不需要外部元件等特點(diǎn)。

SHT11芯片內(nèi)部高度集成，如圖4所示，有相對(duì)濕度傳感器、溫度傳感器、放大器、14位A/D轉(zhuǎn)換器、校準(zhǔn)存儲(chǔ)器、易失存儲(chǔ)器（RAM）、狀態(tài)寄存器、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）寄存 器、二線串行接口、控制單元、加熱器及低電壓檢測(cè)電路。其測(cè)量原理是：首先利用兩只傳感器分別產(chǎn)生相對(duì)濕度、溫度的信號(hào)，然后經(jīng)過放大，分別送至A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模/數(shù) 轉(zhuǎn)換、校準(zhǔn)和糾錯(cuò)，最后通過二線串行接口將相對(duì)濕度及溫度的數(shù)據(jù)送至主控機(jī)。

圖4 SHT11內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖(略)

壓力測(cè)量模塊

壓力測(cè)量模塊采用精密智能壓力傳感器PPT-R，PPT-R是霍尼威爾公司生產(chǎn)的高品質(zhì)壓力傳感器，帶有不繡鋼隔膜，適用于對(duì)高溫、腐蝕性介質(zhì)的測(cè)量。

PPT-R智能壓力傳感器性能優(yōu)良、組態(tài)靈活，它可對(duì)每次測(cè)量的壓力信號(hào)進(jìn)行積分，積分時(shí)間可在8mS~12S之間選擇，這樣可以 提高數(shù) 字控制系統(tǒng)在不同環(huán)境條件下的適應(yīng)性和抗干擾能力。PPT傳感器具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性，其壓力信號(hào)可由單片機(jī)設(shè)置為數(shù)字輸出模式或模擬輸出模式，在本系統(tǒng)中將其設(shè)置為數(shù)字輸出模式。

煙霧測(cè)量模塊

煙霧測(cè)量模塊采用國(guó)產(chǎn)的KG8005A型煙霧傳感器，屬于國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，具有抗腐蝕能力強(qiáng)的敏感元件、高靈敏度的檢測(cè)電路、二級(jí)煙塵粉塵淘析結(jié)構(gòu)和不銹鋼外殼結(jié)構(gòu)，能對(duì)煙霧進(jìn)行就地監(jiān)測(cè)、遙測(cè)和集中監(jiān)視，輸出標(biāo)準(zhǔn)的開關(guān)信號(hào)，長(zhǎng)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)到火災(zāi)初期各類燃燒物質(zhì)陰燃階段產(chǎn)生的不可見及可見煙霧，對(duì)各種火災(zāi)進(jìn)行準(zhǔn)確、及時(shí)地預(yù)報(bào)，且能有效地防止粉塵干擾所引起的非火災(zāi)誤報(bào)。

軟件的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化，主要分為上位機(jī)程序模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊和CAN通信模塊等。在此主要介紹上位機(jī)軟件模塊與CAN通信模塊的設(shè)計(jì)。

上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件以Borland公司推出的C++Builder6為開發(fā)平臺(tái)，具有系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、監(jiān)控狀態(tài)設(shè)置、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)查詢以及中斷接收數(shù)據(jù)管理等功能。上位機(jī)首先對(duì)CAN總線及其自身初始化，然后發(fā)送命令通知特定的節(jié)點(diǎn)向CAN總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，通過CAN總線上傳到上位機(jī)，再由上位機(jī)處理。上位機(jī)采用定時(shí)輪循方式向各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)命令，采用中斷方式接收數(shù)據(jù)。

相關(guān)編程如下：

首先用CreateFile( )打開通信串口，函數(shù)引用格式為：
CreateFile(lpFileName,dwDesiredAccess,dwShareMode, lpSecurityAttributes, ,dwCreationDistribution， dwFlagsAndAttributes，
hTemplateFile)；

然后用BuildCommDCB( )和SetCommState( )函數(shù)，通過通信設(shè)備控制塊DCB（Device Control Block）設(shè)置串口通信參數(shù)(如波特率、停止位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位等)；
當(dāng)有通信事件產(chǎn)生時(shí)，就可用函數(shù)ReadFile( )和WriteFile ( )直接對(duì)串口緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫操作。其引用格式分別為：

WriteFile(hFile，lpBuffer，nNumberOfBytesToWrite， lpNumberOfBytesWritten，lpOverlapped);
ReadFile(hFile，lpBuffer，nNumberOfBytesToRead， lpNumberOfBytesRead，lpOverlapped).

上位機(jī)軟件的其它功能的實(shí)現(xiàn)，可通過調(diào)用相應(yīng)組件的屬性進(jìn)行編程。

CAN通信模塊設(shè)計(jì)

CAN通信程序負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN控制器，再由其負(fù)責(zé)發(fā)送到CAN總線。

對(duì)于接收數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用中斷方式實(shí)現(xiàn)。一旦中斷發(fā)生，即將接收的數(shù)據(jù)自動(dòng)裝載到相應(yīng)的報(bào)文寄存器中，此時(shí)還可采用屏蔽濾波方式，利用屏蔽濾波寄存器對(duì)接收?qǐng)?bào)文的標(biāo)識(shí)符和預(yù)先在接收緩沖器初始化時(shí)設(shè)定的標(biāo)識(shí)符進(jìn)行有選擇地逐位比較，只有標(biāo)識(shí)符匹配的報(bào)文才能進(jìn)入接收緩沖器，那些不符合要求的報(bào)文則將被屏蔽于接收緩沖器之外，從而減輕CPU處理報(bào)文的負(fù)擔(dān)。此外，不同數(shù)據(jù)應(yīng)放入不同的報(bào)文寄存器中，其程序流程圖如圖5所示。

圖5 CAN模塊通信流程圖(略)

結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)基于CAN總線，采用了IBM-PC兼容機(jī)、單片機(jī)和SJA1000組成二級(jí)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了一體化的操作，可以實(shí)現(xiàn)部隊(duì)裝備器材庫(kù)智能化監(jiān)控。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，安全可靠，造價(jià)低廉且運(yùn)行穩(wěn)定。