基于LabVIEW的便携式汽车仪表检测仪的研制----设计方案与硬件结构（二）

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3.1.2数据通信（总线）
       
        数据通讯是把数据的处理和传输合为-体，实现数字信息的接收、存储、处理和传输，并对信息流加以控制、校验和管理的-种通讯形式。
       
        计算机与通讯线路及设备结合起来实现人与计算机、计算机与计算机之间的通讯，不仅使各用户计算机的利用率大大提高，而且极大地扩展了计算机的应用范围，并使各用户实现计算机软硬件资源与数据资源的共享。对计算机的远距离实时控制和对数据的远距离收集等项工作，也都可以利用数据通讯来进行。
       
        用于数据通讯的通讯网，称为数据通讯网。它分为专用数据网和公用数据网。专用网发展较早，目前仍普遍使用。在20世纪70年代前，公用数据通讯-般使用原有的公共电话网或电报网。70年代以来，随着数据通讯迅速发展，开始建立公用数据网。而局域网则是-种专用的数据通讯网。
       
        公用数据网-般采用分组交换和电路交换两种交换方式。分组交换能提高电路的利用率，更灵活地满足实时数据通讯的要求。分组交换网是-种主要的公用数据通讯网。
       
        在现代信息社会中，政府机关及各个部门要实现高效率的管理，数据通讯是-种至关重要的手段。
       
        在通讯发达的国家，用户只要携带-台袖珍式电脑，与国际长途直拨电话线相连，就可以与全球任何地方进行数据信息的交换。
       
        现场总线是指以工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网络，也称现场网络。也就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化的网络。原来这些机器间的主体配线是ON/OFF、接点信号和模拟信号，通过通讯的数字化，使时间分割、多重化、多点化成为可能，从而实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配线（配线的共享）。
       
        CAN全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之-。最初是德国的Bosch公司为了汽车监控和控制系统设计了CAN总线，现在，世界上许多的著名汽车制造厂商都已经开始采用CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检钡l和执行机构间的数据通信。由于CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，CAN总线被广泛应用于汽车、火车、轮船、机器人、智能楼宇、机械制造、数控机床、纺织机械、医疗器械、消防管理、传感器、自动化仪表等领域。CAN己经形成国际标准，并已经被公认为几种最有前途的现场总线之-。1993年，150组织颁布了CAN国际标准15011898，为控制器局域网的标准化和广泛应用打下了基础。
       
        CAN总线使用的通信介质为双绞线及其它电缆，传输速率可达IMbPs.鉴于其突出的可靠性和独特的设计以及高速率，传输距离较长的特点，特别适合工业现场监控设备的互联，根据不同的需要或以主从方式，或以多主方式工作.概括起来，它具有如下特点：
           
          （l）通信方式灵活。CAN为多主方式工作，网络上任-节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从，且无需站地址等节点信息，利用这-特性可方便的构成多机备份系统。
       
        （2）CAN的直接通信距离最远可达10km（速率5KbPs以下），通信速率最高可达1MbPs（此时通信距离最长为40m）。
       
        （3）CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。
       
        （4）在报文标识符上，CAN上的节点可分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求，优先级高的数据最多可在134ps内得到传输。
       
        （5）CAN采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动退出发送，而高优先级的节点可以不受影响地继续传送数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况。
       
        （6）CAN只需通过报文滤波即可实现点对点、-点对多点及全局广播等几种方式传播接收数据，无需专门的“调度”。
       
        （7）CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个，报文标识符可达2032种（CAN2.0A），而扩展标准（CAN2.0B）的报文标识符几乎不受限制。
       
        （8）报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极低。
       
        （9）CAN的每帧信息都有cRc校验及其他检错措施，具有极好的检错效果。
       
        （10）CAN总线上的节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，退出网络通讯，保证总线上其它节点的操作不受影响。
       
        （11）CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等多项工作。
       
        （12）CAN在发送期间若丢失仲裁或由于出错而遭破坏的帧可自动重发送，而且可以进行暂时错误和永久性故障节点的判别以及故障节点的自动脱离。
       
        总线在这里起到传输从各个仪表采集的信号，还有比对过反馈的信号，汽车仪表信号有模拟信号还有数字信号，所有的信号的输出与输入都是通过总线来完成传输工作的，总线就相当于我们生活中的交通工具，又相当于我们人体的神经网络，都起到传输的作用。
       
        3.1.3板卡介绍
          频率脉冲信号发生板卡PM-536：
          特性
          计数器部分：
          使用器件：82C54
          计数通道数：12路
          最大计数频率：IOM
          内部晶震频率：6M（用户可以定制）
       
        开关量部分：
          电平方式：TTL
          输入通道数：16路
          输出通道数：16路
          输出驱动能力：IOmA
          电源功耗：+SV500mA
          使用环境要求：
          工作温度：-40℃-70℃（宽温）0℃-60℃（普通）
       
        相对湿度：40%-80%
          存贮温度：-45℃-+150℃
       
        外形尺寸：长*高=91mm*96mm
          可编程网络电阻：可编程标准电阻发生器电路是为产生可编程标准电阻而设计，电路采用CMOS集成电路控制，电阻按8421编码方式输出的精密可编程的电阻网络，具有数字化，可编程，电阻可任意组合等特点，是程控电阻的-种实用方法。
       
        CAN通讯板卡PCI841：
          支持windows98/2000汉P驱动程序和工具直接存储映射，实现高速数据访问状态收发有指示灯显示，方便调试每个端口可自由选择中断，中断号：3，4，5，6，7，9，10，11，等1000VDC的光电隔离保护，极大提高可靠性地址可从C800到EFOO调整，共占用4KB的地址空间支持两个互相独立的CAN接口，每个接口最大速率可达50OK.PCI-841是专用的通讯卡，提供了控制器局域网络连接到您的PC.凭借其内置的CAN控制器，的PCI-841提供了-个自动变速箱重复功能总线仲裁和错误检测。这大大降低了数据丢失的机会，并确保系统的可靠性。板载CAN控制器位于内存在不同的位置。您可以运行两个独立的CAN控制器在同-时间。在PCI-841工作在波特率高达1MbPs，可以在PC机扩展槽上。
        K-LINE通讯板卡：
          是-种可以同时高速处理控制和信息数据的现场网络系统，可以提供高效、-体化的工厂和过程自动化控制。是-种通讯中信息总线传输装置和CAN总线相似。
       
        PXI介绍：
          PXI（PCIExtensionforInstrumentation）是由美国NI公司于1997年推出的测控仪器总线标准。它将comPactPCI规范定义的PCI总线技术发展成适合于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范，从而形成了新的虚拟仪器体系结构。制订PXI规范的目的是为了将台式PC的性能价格比优势与PCI总线面向仪器领域的必要扩展完美地结合起来，形成-种主流的虚拟仪器测试平台。
       
        PXI总线是PCI总线的增强与扩展，并与现有工业标准ComPactPCI兼容，它在相同插件底板中提供不同厂商产品的互联与操作。作为-种开放的仪器结构，PXI提供了在VXI以外的另-种选择，满足了希望以比较低的价格获得高性能模块仪器的顾客需求。PXI最初只能使用内嵌式控制器，后来NI公司发布了MXI-3接口，扩展了PXI的系统控制，包括直接PC控制、多机箱扩展和更长的距离控制，扩大了PXI的应用范围。为了满足测控模块的需要，PXI总线通过Jl连接器提供了33MHz的系统时钟，通过J2连接器提供了IQMHz的TTL参考时钟信号、TTL触发总线和12引脚的局部总线。这样同步、触发和时钟等功能的信号线均可直接从PXI总线上获得，而不需要繁多的连线和电缆。PXI也定义了-个星型触发系统，与VXI不同的是，它通过1槽传送精确的触发信号，用于模块间精确定时。
       
        PCI（PeriPheral ComPonent Intereonneet）：
          一种由英特尔（Intel）公司1991年推出的用于定义局部总线的标准。此标准允许在计算机内安装多达10个遵从PCI标准的扩展卡。最早提出的PCI总线工作在33MHz频率之下，传输带宽达到133MB/s（33MHZ* 32bit/s），基本上满足了当时处理器的发展需要。随着对更高性能的要求‘，后来又提出把PCI总线的频率提升到“MHz，传输带宽能达到266MB/S. 1993年又提出了64bit的PCI总线，称为PCI-X，目前广泛采用的是32-bit、33MHz或者32-bit、66MHz的PCI总线，64bit的PCI-X插槽更多是应用于服务器产品。从结构上看，PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的-级总线，具体由-个桥接电路实现对这-层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供信号缓冲，能在高时钟频率下保持高性能，适合为显卡，声卡，网卡，MODEM等设备提供连接接口，工作频率为33MHz/66MHZ.
           
          PCI总线系统要求有-个PCI控制卡，它必须安装在-个PCI插槽内。这种插槽是目前主板带有最多数量的插槽类型，在当前流行的台式机主板上，ATX结构的主板-般带有5-6个PCI插槽，而小-点的mATX主板也都带有2-3个PCI插槽。根据实现方式不同，PCI控制器可以与CPU-次交换32位或64位数据，它允许智能PCI辅助适配器利用-种总线主控技术与CPU并行地执行任务。PCI允许多路复用技术，即允许-个以上的电子信号同时存在于总线之上。
       
        本文研发的基于LabVIEW便携式汽车仪表检测仪功能和要求所需，我们因此选择NI PXI-6528数字I/O通信板卡。如图3-2所示。NI PXI-6528模块是用于PXI CompactPCI系统的48通道并行隔离工业数字I/O接口。NI PXI-6528具有24路数字输入通道和24路数字开关输出通道，无需使用跳线。使用PXI-6528，数字电平可达士60VDC，开关电流可达150A.PXI-6528的隔离特性能为您的系统减少噪音，去除外部信号带来的尖脉冲，并切断接地回路。开启可编程上电状态，您能在软件中配置初始输出状态，确保与工业激励器（泵、闸、发动机、继电器）接通时操作的安全和无故障。通过使用电子I/O看门狗，您能在计算机或应用程序出现故障时，使设备进入可配置的安全输出状态，从而保证-旦设备与工业激励器接通，便能对故障状况有所检测并进行安全恢复。在数字状态发生改变时（无需轮询），该数字FO设备可通知并触发您的软件。可编程输入滤波器可通过软件设置滤波器，用于消除噪音并为数字开关/继电器去除抖动。
           
         
         
       
        此板卡能够模拟产生出各种汽车仪表所需的数字信号，输入给对应的汽车仪表和-些报警装置，当传送的-些数据超出仪表所允许的范围之外时，报警装置就开始工作，及时的反应汽车的工作情况，发出报警信号，来提醒驾驶员，为了安全的运行现在需要采取相应的措施。同时也可以通过总线把-些信号输出给仪表。下图3-3是PXI机箱。
           
         
       
        数据通信转换板卡：将-种信号转换成另-种信号的装置。信号是信息存在的形式或载体。在自动化仪表设备和自动控制系统中，常将-种信号转换成另-种与标准量或参考量比较后的信号，以便将两类仪表联接起来，因此，转换器常常是两个仪表（或装置）间的中间环节.各种类型的转换器的出现，大大扩大了各类仪表（装置）的使用范围，使自动控制系统具有更多的灵活性和更广的适应性。各类转换器的基本作用是将信息转换成便于传输和处理的形式，要求转换过程中信息不发生畸变、失真、延迟等，因此对转换器的线性度、输入输出阻抗匹配和隔离等有-定要求：①线性特性。要求转换器的输出信号Y与输入信号X之间具有良好的比例关系，即Y=KX+A，式中K、A为常数。②输入阻抗和输出阻抗。转换器输入阻抗和输出阻抗必须与输入端仪表和输出端仪表相匹配，才能获得高的转换精度。③隔离特性。输入电路、输出电路与电源电路在直流电位上应彼此隔离，输入、输出电路F的接地点应分开，以提高抗干扰能力。
       
        采用-块数据通信转换卡来完成仪表参数的标定以及作为CAN节点与车上其他CAN节点的数据通信，该卡的主要功能是完成串口信号与CAN信号之间的转换功能，开发数据通信转换卡的目的-是为了节约成本，二是考虑到大多数台式机或笔记本没有CAN接口。通过这个板卡对被控仪表的特征参数，
       
        如车辆的特征系数、传感器的传感系数、发动机的速比以及仪表的-些标定参数等进行设定。由于目标车型不确定，仪表的-些特征参数需要实车测试才能最后标定，所以该板卡可作为以后仪表参数标定用。
       
        各种板卡在基于LabVIEW便携式汽车仪表检测仪起到信息转换的作用，把各种仪表采集的信号转换成总线能传输的信号，这样这些信号才能被工控机接受和处理。