CAN总线实现工业网络分布式测控系统

2011-09-21 10:49:43来源: 电子产品世界

1 引言

  现场总线技术是当今自动化领域发展的热点,can总线以其独特的设计、低成本、高可靠性、实时性、抗干扰能力强等特点得到了广泛的应用。本文选用can总线设计了分布式热电阻智能节点,利用can总线连接各个网络节点,可以直接与主控卡或上位机通信,组建成工业网络分布式测控系统

  2 热电阻智能节点硬件设计

  2.1智能节点整体结构

  本热电阻智能节点设有4路输入通道,支持3线制方式,支持热电阻类型有cu50、cu100和pt100,采用freescale mc9s12d64单片机作为微控制器,其内部有一个can通信模块(mscan),符合can2.0a/b标准,所以不需要扩展can通讯控制器。can接口收发器采用pca82c250作为can通信模块和物理传输线路之间的接口。节点通过24位a/d转换器ads1216对组态通道进行采样,由于热电阻的阻值与温度成正比关系,需将已知电流流过该电阻以得到与温度成正比的输出电压。本文使用ads1216的两个8位电流输出idac1和idac2作为恒流源,通过模拟开关max355选通相应的组态通道,然后ads1216对得到的电压信号进行采样并输出至微控制器,经校正后进行标度变换转化成相应的电阻值,查热电阻分度表即可得到所测温度。本节点也可通过rs485接口并严格按照modbus协议进行通信,rs-485收发器采用sn65lbc184。

  本热电阻智能节点硬件结构框图如图1所示。

  

 

  图1 热电阻智能节点硬件结构框图

  2.2信号输入端电路与采样电路

  信号输入端电路与采样电路原理图如图2和图3所示。

  

热电阻信号输入端电路

 

  图2 热电阻信号输入端电路

  

a/d采样电路

 

  图3 a/样电路

txcan0)分别接至收发器pca82c250的txd和rxd引脚。pt2用来控制数据接收与发送,当pt2为低电平时,接收数据;当pt2为高电平时,发送数据。输入rs通过一电阻接地,使pca82c250工作在斜率控制模式下。sn65lbc184为具有瞬变电压抑制的rs485差分收发器,因此本智能节点可以接入采用canbus或rs485的测控系统,并方便的与各种组态软件进行通信。

  

can和rs-485通信电路

 

  图4 can和rs-485通信电路

  3 热电阻智能节点软件设计

  3.1概述

  单片机程序用mc9s12汇编语言编写。在主程序首先完成各寄存器和存储单元的初始化,再通过调用读取地址子程序,得到i/o板卡的地址和can通信波特率,再完成mscan模块和ads1216初始化。随后调用e2prom中组态信息,对每一路组态通道进行信号转换,数字滤波及温度查表计算等,其主程序流程图如图5所示。

  

 

  图5 热电阻智能节点主程序流程图

  由于现场的各种干扰很容易使信号失真,从而使a/d转换结果产生比较大的误差。因此在对信号进行有效的硬件滤波后还需进行软件滤波,本节点采用了数字中值滤波、算术平均、加权滤波等方式。

3.2 节点与上位机的can通信

 

  智能节点与主控卡或上位机的通信主要基于can通信协议来完成,它的优点是能够实时处理数据、在恶劣环境下正常工作、成本低且拥有比较高的带宽。由于上位机内部无can网络适配器,因此需外接rs-232/can转接卡,实现上位机与智能节点的通信。通过节点上的跳线设置节点地址,当上位机发出命令时,节点进入can接收中断,对数据解包放入接收缓冲区并调用数据处理函数。当上位机发出组态命令时,单片机会将收到的组态通道信息和信号类型写入e2prom保存,并回送一帧数据通知上位机组态信息已成功接收。当接收到上传rtd值命令时,单片机会将内存中的4路rtd温度值以多帧形式发送给上位机。

  3.3 rtd阻值变换算法

  软件设计中关键算法在于rtd电压阻值的转化,刻度点间的线性化及标度变换。以pt100热电阻的温度刻度表为例,

  pt100tab:fcb 04h,00h,07h,39h,08h,0e8h,0ah,94h,0ch,3ch,

  fcb 0dh,0e1h, 0fh,83h,11h,23h,12h,0c0h,14h,5bh,

  fcb 15h,0f3h,17h,89h,19h,1eh,1ah,0b1h,1ch,41h,

  ……

  fcb 91h,84h,92h,0afh,93h,0d8h,95h,01h,96h,28h,

  fcb 97h,4eh,98h,72h,9ah,0cah

  分度表由-210℃开始每间隔10℃作为一个刻度点,每一个刻度点的电阻值扩大100倍后转换为十六进制数即构成上表。考虑到表格的一致性,cu100和cu50热电阻的分度表也从-210℃开始计算。

  当得到校正后的ad转换数值后,需要将采样到的电压信号转换为电阻值以便于查表。阻值计算公式如下:

  

 

  r即为实际热电阻阻值,在这里将其扩大100倍以便于查表。

  3.4 分段线性化查表

  得到的对应阻值后,则从第0个刻度点开始比较,如果该采样值大于第0个刻度点,则再与下一个刻度点比较,同时记录小于该采样值的刻度点的个数n,如果采样值小于某一温度刻度点,则温度位于该刻度点b与前一个刻度点a之间,温度线性化在a、b两刻度点之间进行,线性化得到的温度加上a点对应的温度(n×10)即为采样温度。

  以pt100热电阻为例,某一通道得到校正后的采样值为$9343,则前8个刻度点均小于$9343,第9个刻度点值大于$9343,记录小于该采样值的刻度点的个数n=101,此时a点(第101个刻度点$92af)对应温度为10×101=1010℃,b点(第9个刻度点$93d8)温度为1020℃,线性化在a、b两点间进行,具体公式为:

  [($934-$92af)/($93d8-$92af)]×10=5℃

  所以$9343对应的温度为:

  a点(第101个刻度点)对应温度1010℃+线性化温度5℃-210℃=805℃

  其中,各表均以-210℃作为起始,故计算温度时应减去210℃。

  4 结束语

  本智能测控节点经过反复测试,温度测量值均正确,并且误差在±1%以内。另外在监控程序的控制下,节点能够有效配合上位机完成系统的组态、信号校正和上传等功能,具有可靠、实时、灵活等特点。

关键字:CAN总线

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0921/article_8568.html
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