【正文】 個功能模塊設(shè)計方案。CAN總線監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計參照CAN總線通信協(xié)議，介紹了智能節(jié)點的下位機軟件設(shè)計，根據(jù)實際的通信需要，重定義了部分的通信協(xié)議，增強了系統(tǒng)的安全性。2 CAN總線簡介CAN是Controller Area Net的縮寫，即控制器局部網(wǎng)，它是一種支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行數(shù)據(jù)通訊協(xié)議[15]。1991年9月PHILIP SSEMICONDUCTORS制訂并發(fā)布了CAN技術(shù)規(guī)范[16]（)。該技術(shù)規(guī)范包括A和B兩部分。 。此后，1993年11月150正式頒布了道路交通運載工具—數(shù)字信息交換—高速通信控制器局部網(wǎng)(CAN)國際標(biāo)準(15011898) []，為控制器局部網(wǎng)標(biāo)準化、規(guī)范化的推廣鋪平了道路。 CAN中的一些基本概念報文—總線上的信息以不同的格式的報文傳送，但長度有限。當(dāng)總線開放時，任何連接的單元均可開始發(fā)送一個新報文。信息路由—在CAN系統(tǒng)中，一個CAN節(jié)點不使用有關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的任何信息。系統(tǒng)靈活性—節(jié)點可在不要求所有節(jié)點及其應(yīng)用層改變?nèi)魏诬浖蛘哂布那闆r下，被接于CAN網(wǎng)絡(luò)。報文通信—個報文的內(nèi)容由其標(biāo)識符ID命名。ID并不指出報文的目的，但描述數(shù)據(jù)的含義，以便網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點有可能借助報文濾波決定該數(shù)據(jù)是否使它們激活.成組—由于采用了報文濾波，所有節(jié)點均可接收報文，并同時被相同的報文激活。數(shù)據(jù)相容性—在CAN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，可以確保報文同時被所有節(jié)點或者沒有節(jié)點接收，因此，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)相容性是借助于成組和出錯處理達到的。位速率—CAN的數(shù)據(jù)傳輸在不同的系統(tǒng)中是不同的，而在一個給定的系統(tǒng)中此速度是唯一的，并且是固定的。優(yōu)先權(quán)—總線訪問期間，標(biāo)識符定義了一個報文靜態(tài)的優(yōu)先權(quán)。遠程數(shù)據(jù)請求—通過發(fā)送一個遠程幀，需要數(shù)據(jù)的節(jié)點可以請求另一個節(jié)點發(fā)送一個相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀，該數(shù)據(jù)幀與對應(yīng)的遠程幀以相同的標(biāo)識符ID命名。多主站—當(dāng)總線開放時，任何單元均可發(fā)送報文，發(fā)送具有最高優(yōu)先權(quán)報文的單元會贏的總線的訪問權(quán)。仲裁—當(dāng)總線開放時，任何單元均可發(fā)送報文，若同時有兩個或更多的單元開始發(fā)送，總線訪問沖突運用諸位仲裁規(guī)則，借助標(biāo)識符ID解決。這種仲裁規(guī)則可以使信息和時間均無損失。若具有相同標(biāo)識符的一個數(shù)據(jù)幀和一個遠程幀同時發(fā)送，數(shù)據(jù)幀優(yōu)先于遠程幀。仲裁期間，每一個發(fā)送器都對發(fā)送位電平與總線上檢測到得電平進行比較，若相同則該單元可繼續(xù)發(fā)送。當(dāng)發(fā)送一個“隱形”電平，而在總線上檢測為一個“顯性”電平時，該單元退出仲裁，并不在發(fā)送后繼位。安全性—為了獲得盡可能高的數(shù)據(jù)傳輸安全性，在每個CAN節(jié)點中均設(shè)有錯誤檢測、標(biāo)定和自檢的強有力措施。檢測錯誤的措施包括:發(fā)送自檢、循環(huán)冗余校驗、位填充和報文格式檢查。出錯標(biāo)注和恢復(fù)時間—已損報文由檢驗出錯誤的節(jié)點進行標(biāo)注。這樣的報文將失效，并自動進行重新發(fā)送。如果不存在新的錯誤，從檢出錯誤到下一個報文開始發(fā)送的回復(fù)時間最多為29個位時間。故障界定—CAN節(jié)點有能力識別永久性故障和暫時擾動，可自動關(guān)閉故障節(jié)點。連接—CAN串行通信鏈路是一條眾多單元均可以被連接的總線，理論上，單元數(shù)目是無限的，實際上，單元總數(shù)受限于延遲時間和總線的電器負載。應(yīng)答—所有接收器均對接收報文的相容性進行檢查，回答一個相容報文，并標(biāo)注一個不相容報文【】。 CAN總線特點(1) CAN采用多主工作方式，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)(取決于報文識別碼)采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù),總線利用率高，數(shù)據(jù)通訊實時性好。(2) CAN總線上的節(jié)點可以分成不同的優(yōu)先級，當(dāng)多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時，一旦發(fā)生總線沖突，能夠有效的減少總線仲裁時間。當(dāng)信息遭到破壞后能重發(fā)，節(jié)點錯誤情況下可以自動退出總線。(3) CAN的通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維；直接通信距離最遠可達10km（傳輸速率為5kbps），通信速率最高可達1Mbps（傳輸距離為40m）。CAN采用短幀發(fā)送，每幀傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字節(jié)數(shù)為8個，傳輸時間短，不易受干擾。(4)CAN的每幀信息都采用CRC校驗及其它檢錯措施，數(shù)據(jù)出錯率低。 CAN總線技術(shù)規(guī)范國際標(biāo)準組織的開放系統(tǒng)互連(ISO/OSI)模型將各種協(xié)議分為七層，自下而上依次為:物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳送層、會話層、表達層、應(yīng)用層[23]。CAN總線遵從ISO/OSI模型，以確?？梢栽谌魏蝺蓚€CAN器件之間建立兼容性。不過考慮到CAN總線主要應(yīng)用于工業(yè)控制底層網(wǎng)絡(luò)，其單次傳輸?shù)男畔⒘枯^小，實時性要求較高，因此綜合考慮ISO/OSI基準模型，將CAN結(jié)構(gòu)劃分為兩層:數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，其分層結(jié)構(gòu)如圖2—1所示，而應(yīng)用層可以由用戶自行定義。圖21 CAN分層結(jié)構(gòu) l)物理層物理層協(xié)議為網(wǎng)絡(luò)中的最低層協(xié)議，主要作用是在不同節(jié)點之間根據(jù)它們的電氣屬性進行每位的實際傳輸，它定義信號怎樣進行發(fā)送，涉及到位定時、位編碼解碼及同步的描述。.2)數(shù)據(jù)鏈路層按照 ，數(shù)據(jù)鏈路層又可劃分為邏輯鏈路控制(LLC— Logic Link Control)與媒體訪問控制(MAC—Medium Access Control)兩個部分。LLC子層:主要負責(zé)幀接收濾波、超載通告和恢復(fù)管理[]。MAC子層:主要負責(zé)報文分幀、仲裁、應(yīng)答、錯誤檢測和標(biāo)定。本章主要介紹了CAN總線的相關(guān)知識，較為詳細的敘述了CAN總線的特點，說明了它在眾多現(xiàn)場總線中得到廣泛應(yīng)用的原因。在對比國際標(biāo)準組織的開放系統(tǒng)互連(ISO/OSI)模型的七層結(jié)構(gòu)的同時，介紹了CAN總線的技術(shù)規(guī)范，更深入的了解了CAN總線的通信過程。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計部分系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖31所示，本系統(tǒng)由CAN總線智能節(jié)點、CAN總線中繼器以及主控機三部分組成。在本系統(tǒng)中CAN總線智能節(jié)點數(shù)目最多不超過 1000點，可根據(jù)現(xiàn)場測量的需要選用單通道狀態(tài)值智能節(jié)點或多通道波形狀態(tài)值智能節(jié)點兩種設(shè)備。如表31所示，CAN總線傳輸?shù)木嚯x與傳輸速率有著一定得對應(yīng)關(guān)系，為了達到較高的傳輸速率就不得不縮短網(wǎng)絡(luò)長度，這樣對了大型機組的測量是很不利的，CAN總線中繼器可以在傳輸達到極限距離時一對信號進行放大加強，使信號可以保持較高的傳輸速率，同時確保了系統(tǒng)實時性的要求。主控機是系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)的匯總、分析、存儲備份的部分，我們在主控機上就可以檢測到每個節(jié)點的運行狀態(tài)，還可以根據(jù)數(shù)據(jù)的波動情況預(yù)測設(shè)備的運轉(zhuǎn)情況，這樣有利于提前發(fā)現(xiàn)隱患，確保安全生產(chǎn)。圖31系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖表31 傳輸速率、傳輸距離關(guān)系表數(shù)據(jù)速率干線長度累計分支線長度單根分支線最大長度粗導(dǎo)線細導(dǎo)線扁平導(dǎo)線125kbps500m100m420m156m6m250kbps250m100m200m78m6m500kbps100m100m100m39m6mCAN總線智能節(jié)點簡介 節(jié)點，是網(wǎng)絡(luò)上信息的接收和發(fā)送站點，而所謂智能節(jié)點，用當(dāng)前流行的法來講，就是一個嵌入式系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，它位于傳感器和執(zhí)行機構(gòu)所在的工業(yè)現(xiàn)場，起著承上啟下的作用。智能節(jié)點一方面和上位機(PC)進行通信，完成數(shù)據(jù)交換，另一方面又根據(jù)系統(tǒng)需要對現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)或傳感器進行控制或采集。實現(xiàn)兩大基本功能:通信和I/O口管理。為了提高系統(tǒng)的實時性，一些簡單的處理運算可以不通過上位機的干預(yù)和控制，直接在現(xiàn)場完成，從而大大減少通信量，以發(fā)揮智能節(jié)點的優(yōu)勢。 CAN總線把掛接在現(xiàn)場總線上所有智能節(jié)點連接成一個網(wǎng)絡(luò)體系，可以實現(xiàn)基本控制、補償計算、參數(shù)修改、報警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化及控管一體化的綜合自動化功能。為實現(xiàn)上述這些功能，正確的設(shè)計集檢測、控制、執(zhí)行和通信于一身的底層智能模塊的硬件電路就顯得至關(guān)重要。智能節(jié)點總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 本系統(tǒng)中的智能節(jié)點有單通道狀態(tài)值智能節(jié)點和多通道波形狀態(tài)值智能節(jié)點兩種。單通道節(jié)點被設(shè)計成直接連接至被測裝置上，這就要求其結(jié)構(gòu)緊湊，外型小。如圖32所示，整個的傳感器包括采集、濾波放大、AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理上傳幾個模塊。采集模塊使用環(huán)形剪切的傳感器，將裝置的振動量轉(zhuǎn)變?yōu)轫憫?yīng)的微小電壓后傳入濾波放大電路。放大濾波電路將信號處理后分成高頻加速度、低頻加速度、速度、位移4個測量量傳入有效值轉(zhuǎn)換。這些信號經(jīng)過有效值轉(zhuǎn)換和單片機AD模塊轉(zhuǎn)換后存入單片機，再經(jīng)由CAN總線網(wǎng)絡(luò)上傳至主控機備份。圖32 單節(jié)點傳感器結(jié)構(gòu)圖 濾波電路結(jié)構(gòu)由壓電陶瓷轉(zhuǎn)變后的電信號含有噪聲，前端的電壓跟隨的作用主要就是去噪放大。系統(tǒng)中將對10Hz1KHz內(nèi)的信號進行分析，其中包括10Hz兩級高通加速度、10Hz1KHz低頻加速度，10Hz1KHz低頻速度、10KHz1KHz低頻位移。它們經(jīng)由單片機控制的多路開關(guān)通向有效值轉(zhuǎn)換器。積分器并沒有采用典型積分方式，而采用了一種近似的方法，這種方式能夠更好的減少噪聲，保證了信號的干凈。 有效值轉(zhuǎn)換模塊有效值轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)添加了一級精度擴展，這里將有效值輸出通過一個10倍同相放大器與原信號一同輸出。單片機可以根據(jù)測量門限(滿量程的70%)選擇接收原始信號還是精度擴展信號。這里為了不引入噪聲并抑制零漂，選用凌特公司的LTC2052作為放大器運放。 CAN總線接口模塊主控單片機芯片MC9S08DZ內(nèi)嵌了CAN控制模塊，總線數(shù)據(jù)的封裝可以在單片機內(nèi)部進行，而單片機只需要外接收發(fā)器 TJA1040既可。CAN模塊的TXCAN和RXCAN分別與收發(fā)器的TXD和RXD連接。STB接I/O口作為收發(fā)器的控制信號。TJA1040引腳5是SPLIT，這個引腳提供了VCC/2的電壓，可以將共模電壓穩(wěn)定到額定的VCC/2，所以引腳SPLIT要被連接到分離終端的中間分接頭。而收發(fā)器的CANH和CANL則連接至總線，為了保證阻抗匹配還需要添加匹配電阻。圖33 CAN總線連接電路圖多通道波形狀態(tài)值智能節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖34所示。該節(jié)點硬件主要由信號調(diào)理電路模塊、A/D轉(zhuǎn)換電路模塊、微處理單元模塊、CAN總線接口模塊以及外圍電源等輔助電路模塊組成。設(shè)備的狀態(tài)值經(jīng)由振動傳感器測量后進入信號調(diào)理電路模塊進行前端的信號處理，這里包括了狀態(tài)值路徑和波形值路徑兩種方式的處理，可以對振動狀態(tài)進行定點或連續(xù)的實時在線檢測。狀態(tài)值經(jīng)過信號處理的振動狀態(tài)值經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換電路模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸入給微處理器單元DSPTMS320F28335。而波形值通道信號經(jīng)處理后直接送入DSP自帶的A/D轉(zhuǎn)化模塊處理。DSP處理過的數(shù)據(jù)通過CAN總線的控制器和收發(fā)器進行封裝，封裝好的數(shù)據(jù)再由CAN總線上傳至上位主控機。圖34 節(jié)點結(jié)構(gòu)圖 信號采集電路部分本系統(tǒng)主要用于工業(yè)現(xiàn)場大型機泵及電機設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測，被測量主要為被測對象的機械振動特性，如被測對象的振動頻率、振幅、相位等，傳感器則是用于將這些被測物理量轉(zhuǎn)換為本系統(tǒng)可以采集到的電信號，因此傳感器的信號是否準確以及信號調(diào)理是否得當(dāng)直接關(guān)系到了數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析的準確性。實際應(yīng)用中，主要是針對振動對象的位移信號與加速度信號進行測量，因而本課題主要面向前端的加速度傳感器來測量以上狀態(tài)值?，F(xiàn)在主流的加速的傳感器大多使用的是壓電式傳感器。壓電式傳感器是一種典型的有源傳感器，具有良好的靜態(tài)特性和動態(tài)特性、靈敏度及分辨率高、固有頻率高、工作頻帶寬、體積小、質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠。目前多用于加速度和動態(tài)力或壓力的測量。壓電傳感器的工作原理:(1)壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)，當(dāng)沿一定方向?qū)ζ涫┘油饬?dǎo)致材料發(fā)生形變時，其內(nèi)部將發(fā)生極化現(xiàn)象，某些表面上也會產(chǎn)生電荷。當(dāng)外力去掉后，又重新回到原來的狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。反過來，在電介質(zhì)極化方向上施加電場，其會產(chǎn)生機械形變。當(dāng)去掉外加電場時，電介質(zhì)的形變隨之消失。這種將電能轉(zhuǎn)變成機械能的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)或者稱為電致伸縮效應(yīng)[26]。(2)壓電元件具有壓電特性的材料稱為壓電材料，可以分為天然的壓電材料和人工合成壓電材料。常見的壓電材料可分為兩類，即壓電單晶體和多晶體壓電陶瓷。壓電傳感器的電路:壓電傳感器中的壓電元件材料無論是石英切片還是壓電陶瓷，它的內(nèi)阻都很高、而輸出的信號功率很小。因此一般不能直接顯示、記錄和使用，而需要經(jīng)過阻抗變換和信號放大。壓電元件的等效電路如圖34所示。其中Q是壓電元件受力產(chǎn)生的電荷，兩電極板之間有點位差U0。壓電材料是電介質(zhì)，因而在兩極板之間存在電容Cd。凡為極板間的絕緣電阻。根據(jù)壓電元件的等效電路，它的輸出可以是電壓，也可以是電荷。為了便于應(yīng)用，在壓電元件輸出和測量電路之間配接了一個放大器，起作用是把壓電元件微弱的信號放大。另一個作用是把壓電元件的高阻抗輸入變?yōu)榈妥杩馆敵?。放大器有兩種形式:一種是電壓放大器，另一種是電荷放大器。圖35 壓電元件等效電路壓電陶瓷產(chǎn)生的電荷量是一種活電壓，它并沒有驅(qū)動負載的能力，而且隨著周圍環(huán)境的變化將會出現(xiàn)一定得浮動，這對于要求精密測量的場合不是很適合。除此之外，它的連接電纜也不會很長，過長的電纜線會使電荷量出現(xiàn)較大衰減。相比之下經(jīng)過電荷放大器后，電荷量被轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷毫浚途哂辛蓑?qū)動負載的能力，同時對于溫度，濕度等環(huán)境因素有了較好的適應(yīng)性，所以在這里我們選用了電壓量加速度傳感器進行信息的采集。信號調(diào)理簡介:在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，信號調(diào)理是對傳感器發(fā)出的模擬信號進行處理，進行信號電平、極性、幅值轉(zhuǎn)換，使之與A/D轉(zhuǎn)換器所需的電平極性相一致[27]。此外，信號調(diào)理還有提高信號的信噪比與濾波的作用。由傳感器發(fā)出的信號通用要經(jīng)過信號調(diào)理后才能由A/D芯片進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，較為常用的模擬信號調(diào)理電路主要包括信號激勵、隔離、放大、濾波、線性化等等。本系統(tǒng)的主要任務(wù)是監(jiān)測裝置的振動狀態(tài)，因此設(shè)備運轉(zhuǎn)時的振動加速度、位移是主要的監(jiān)測量，同時本系統(tǒng)還提供了振動速度的測