CAN总线实现工业网络分布式测控系统

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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。

       

        图2 热电阻信号输入端电路

         

       

        图3 a/样电路

           
          max355差动4通道模拟开关接4路热电阻信号转换电路，图中只画出第一路转换电路，接线方式为三线制，使能端en接高电平，使max355一直有效。 a0、a1引脚接至mc9s12d64单片机的pp0和pp1端，用于选通某一路热电阻信号进行转换与测量。当max355选通某一通道后，该通道将与公 共端接通，假设选通通道1，200ua恒定电流由no1a和no1b输出流经热电阻产生毫伏级电压信号，此信号在vin1和vin2处被ads1216采 样。
           
          ads1216组成4路全差分通道。单片机通过porta与ads1216通信，用于控制ads1216选通某一路模拟量输入通道 并进行采样，每一个控制信号均通过光耦合器和两个施密特触发器进行数字隔离，这样做可有效抑制各种噪声干扰，提高传输通道上的信噪比。ads1216采样 每一路通道之前均进行偏置与增益自校准。当/drdy变为低电平，标志着数据寄存器中数据已准备好，单片机便从24位数据输出寄存器(dor)读取转换结 果。
           
          2.3 can和rs-485通信电路
          can和rs-485通信电路原理图如图4所示。
           
          mc9s12d64单片机的can输入与输出引脚(rxcan0和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。
           

       

        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。