基于CAN总线的远程监测仪器系统

    在现代化生产中，机电设备的状态监测和故障诊断技术越来越受到重视，但现有的生产过程监测系统网络开放性不强、在远程监测和诊断方面存在许多不足。为了保证设备安全、稳定及协调的运行，需要对多数关键设备进行远程实时监测、集中控制及管理。

　　CAN总线是一种先进的串行总线通信技术，具有多主、高可靠性及实时性等优点。通过现场总线系统能将各网络节点采集的信号实时传输到监测控制中心，由监测控制中心实现对设备的远程监控与管理。

1系统的组成及功能

　　系统采用多功能转子试验台为研究试验对象，整个系统由现场实时数据采集系统、现场总线网络通信系统及上位机分析与诊断系统(管理信息系统)三大部分组成。根据现场实际情况，设置相应数量的网络数据采集器，对设备的主要工艺参数(如振动、温度、电流、电压等信号)进行在线实时采集，将采集获得的数据通过现场总线系统实时传送给上位分析与诊断系统，由上位机分析与诊断系统实现对各项工艺参数的分析与处理。

　　每个网络数据采集器，可同时完成不同设备、不同信号的在线实时采集，并通过CAN总线通信卡与上位机相联完成数据的传输。上位机主要完成数据处理、实时监测、信息管理和存储及远程诊断。另外，上位机都配有网卡，通过集线器(Hub)组成局域网实现上位机之间的数据共享，便于对设备实现集中监测及协同管理。系统框架图如图1所示。

　　图1系统框架图

2 CAN总线及在系统中的应用

　　2.1 CAN总线的特点

　　CAN总线是一种架构开放、广播式的新一代网络通信协议，称为控制器局域网现场总线，它具有以下特点：

　　(1)CAN总线插卡可以任意插在PC、AT、XT兼容机上，能够方便地构成分布式监控系统。
　　(2)CAN总线可以多主方式工作，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通信灵活。
　　(3)CAN采用点对点、一点对多点及全局广播等集中方式传送和接收数据。
　　(4)CAN的直接通信距蒜最远可达10kn/(5Kbit／s)，通信速率最高可达1Mbit/s(／40m)，理论节点数值为2000个，实际可达110个，传输介质为双绞线、同轴电缆或光纤。
　　(5)CAN采用非破坏性总线优先仲裁技术，当两个节点同时向网络上发送信息时，优先级低的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可不受影响地继续发送信息，按节点类型分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求。

　　总之，作为工业现场控制的网络系统，CAN总线在可靠性和实时性方面有很多的独到特点，接口简单，安装方便，系统成本低，抗干扰能力强，适合于系统分布比较分散且环境比较恶劣的工业现场。

　　2.2 CAN总线技术在系统中的应用

　　系统采用具有CAN总线通信功能的通信卡实现采集数据的网络通信控制。该CAN通信卡采用北京三兴达公司的单路CAN非智能usB成品通信卡。该通信卡的CAN总线数据收发由CAN控制器和CAN收发器完成，主机通过USB接口控制电路来访问CAN控制器，最终完成数据通信。其提供了Windows和DOS下的驱动程序，CAN总线接口为DB9针式插座，符合CIA标准，通信稳定可靠，适合用来完成系统上位机和数据采集器之间的CAN通信功能。为减少反射，增加系统的可靠性，在CAN总线的两端需要安装终端匹配电阻，如图2所示。终端匹配电阻的值应该等于传输电缆的特性阻抗，双绞线的特性阻抗为120Ω。

图2 CAN总线的拓扑结构[page]
 

　　网络通信系统的主要功能包括：

　　(1)监控机将当前的监控配置参数通过CAN总线通信转换卡转换为CAN总线信号传送给网络数据采集器；
　　(2)监控机接收数据采集器发送来的实时数据；
　　(3)当监测的工艺参数超过预警及报警限值时，将报警原因、设备编号、运行时间等报警信息自动优先发送给监控机；
　　(4)监控机优先接收报警信息；
　　(5)监控机向网络数据采集器发送进行参数设定的命令；
　　(6)监控机接收网络数据采集器返回的应答信号。

　　基于CAN技术规范和通信规约设置CAN网络协议并通过Vc++6．0编制多个通信子函数来实现上述功能。在试验过程中，分别对不同的CAN总线通信波特率进行了测试，结果表明：在波特率为125Kbit/s时，通信可靠，上述各方面的功能实现良好，并且在该通信波特率下，CAN总线的最大传输距离约为500m，基本可以满足制造企业车间内设备的监测与控制。

3 数据采集系统

　　数据采集系统是多功能转子试验平台网络测控的重要组成部分。它完成信号采集和实时数据的提取，给信号分析、处理，及故障诊断提供基础。振动信号通过传感器及导线与网络数据采集器的电荷端或电压端(如果采用电压输出的传感器)相连。该网络数据采集器，在实现在线式状态监测方面有很多优点，其主要特点如下：

　　(1)振动加速度、速度、位移、包络一次测量。
　　(2)8×2路同步测量，可接ICP加速度、电涡流位移或电磁式速度传感器。
　　(3)14位A／D采样，80DB动态范围。
　　(4)采用CAN总线传输，传输速率可达125Kbit/s(50m)，可靠性高，通信波特率可由用户选择。
　　(5)提供四路速度测量信道，也可用作外触发信号的输入。
　　(6)可在计算机上发出声光报警。原理图如图3所示。

　　图3 网络数据采集器原理图

4 信息管理系统

　　为了增加系统的可靠性，上位机信息管理系统可由多台微机组成，在每台微机上配有CAN通信卡和网卡，通过集线器和CAN总线可以组成局域网，实现上位机之间的数据共享，在数据量不大的情况下，上位机可由1台微机组成，对现场设备进行实时协同监控，并对采集的多通道数据进行及时分析。在上位机信息管理系统中，编制了数据采集程序并利用标准工业组态王软件对现场进行状况进行监测。通过网络数据采集程序设置各通道的参数，按要求定时接受各网采发送的振值或转速信息，也可对数据进行存储、查询和删除；并通过DDE动态地将采得的数据传送给编写好的组态软件工程；运行完网采程序，然后运行组态王软件，这样组态王软件就和服务程序建立连接，显示运行画面，画面中各变量将根据上传的数据自动更新，即可达到远程实时监控的目的。图4是采用加速度传感器对设备进行监测时的数据采集试验结果，通过菜单可以切换不同的界面，很方便的实现各种功能。

5 结束语

　　基于CAN总线的远程监控系统，在多功能转子试验台上实验效果显著。系统实时性强，可靠性高，结构简单，在实际应用中达到了设计要求，可切实地解决生产线产品的网络实时监测，同时为制造企业的生产线网络协同监控提供了理论和实践基础。该系统可广泛应用于实时数据采集、振动分析、远程故障诊断等诸多领域。