基于CAN總線的遠(yuǎn)程H2監(jiān)控系統(tǒng)

王一幫，李 芳，嚴(yán)奉軒，陸 平，吳 霆

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所，河北邯鄲 056027）

0 引言

隨著工業(yè)化的發(fā)展，化工、冶金、航天和電力等行業(yè)廣泛使用到H2;蓄電池充電和核子發(fā)電等過程中會產(chǎn)生H2。由于該氣體是一種無色、無味的易燃?xì)怏w，一定體積分?jǐn)?shù)下遇到氧氣和明火后會發(fā)生爆炸，所以，工業(yè)現(xiàn)場H2含量過高嚴(yán)重危害人們的生命和財產(chǎn)安全，對工業(yè)現(xiàn)場多點(diǎn)H2體積分?jǐn)?shù)的實(shí)時在線監(jiān)測具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

傳統(tǒng)的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)多采用 RS—232，RS—485等串行通信方式，實(shí)時性、擴(kuò)展性和可靠性較差［1］?？刂破骶钟蚓W(wǎng)（controller area network，CAN）總線是現(xiàn)場總線中的一種，它能有效支持分布式控制或?qū)崟r控制，是一種開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的的串行通信網(wǎng)絡(luò)［2］。本文設(shè)計了一種基于CAN總線的遠(yuǎn)程H2監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

整個系統(tǒng)由智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)（n＜112）、顯示節(jié)點(diǎn)和CAN總線網(wǎng)絡(luò)組成，其系統(tǒng)框圖如圖1。分布在工業(yè)現(xiàn)場的智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)可以獨(dú)立對H2體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行測量并將數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上，與此同時還可執(zhí)行相應(yīng)的報警和保護(hù)操作;顯示節(jié)點(diǎn)可通過CAN總線和各個監(jiān)控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時通信并將H2體積分?jǐn)?shù)顯示出來。各個節(jié)點(diǎn)之間通過屏蔽雙絞線互聯(lián)成CAN總線網(wǎng)絡(luò)，總線兩端連接120 Ω的阻抗匹配電阻，用來提高系的穩(wěn)定性，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力［3］。

圖1 分布式監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖Fig 1 Overall block diagram of distributed monitoring system

2 智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)

2.1 硬件電路實(shí)現(xiàn)

智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計采用了模塊化結(jié)構(gòu)，由CAN通信接口、單片機(jī)及外圍電路與H2監(jiān)控電路組成，整體結(jié)構(gòu)如圖2。

H2監(jiān)控電路得到的與H2體積分?jǐn)?shù)有一定關(guān)系的電壓信號，經(jīng)A/D采樣，數(shù)據(jù)處理后，通過CAN通信接口發(fā)送到CAN總線上，并在一定條件下驅(qū)動外圍電路。

圖2 智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖Fig 2 Structure block diagram of intelligent monitoring node

2.1.1 CAN 通信接口設(shè)計

目前，市場上有兩種CAN總線器件可供選擇:一種是片內(nèi)集成 CAN控制器的微控制器，如 PIC18F4580，P8XC591/2和MC68376等;另一種是獨(dú)立的CAN控制器，如 Philips公司的 SJA1000，82C200，Intel公司的82526，以及Microchip公司的MCP2510等，但獨(dú)立的CAN控制芯片需要接一個微處理器才能運(yùn)行。出于簡化硬件電路設(shè)計、降低程序設(shè)計復(fù)雜度和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性考慮，設(shè)計中選用內(nèi)嵌CAN控制器的微控制器PIC18F4580。該CAN模塊除遵循CAN總線協(xié)議外，同時也有自己的特點(diǎn)，主要包括:1）支持 CAN 協(xié)議 CAN1.2，CAN2.0A 和 CAN 2.0B。2）支持標(biāo)準(zhǔn)幀、擴(kuò)展幀、遠(yuǎn)程幀、過載幀和錯誤幀等［4］。3）2個接收緩沖區(qū)，3個發(fā)送緩沖區(qū)。4）可配置最多16個接收濾波器，2個屏蔽濾波器。與其配合使用的MCP2551是一種高速CAN收發(fā)器，支持1 Mbit/s的運(yùn)行速度，具有自動檢測TXD端的輸入端錯誤，并具有過壓欠壓過熱保護(hù)功能?？紤]到工業(yè)現(xiàn)場的復(fù)雜電磁環(huán)境問題，采用高速光耦器件6N137 進(jìn)行電氣隔離［5］。

CAN總線兩端接有二極管保護(hù)電路，CAN通信接口原理圖如圖3。

2.1.2 單片機(jī)與外圍電路

單片機(jī)與外圍電路主要有A/D轉(zhuǎn)換電路、蜂鳴器報警電路和繼電器驅(qū)動電路。A/D轉(zhuǎn)換使用單片機(jī)內(nèi)置的10位A/D轉(zhuǎn)換端口，蜂鳴器和繼電器電路使用單片機(jī)的普通IO口控制。

2.1.3 H2監(jiān)控電路

H2監(jiān)控電路包括氫敏元件和信號調(diào)理電路兩部分。氫敏元件是電橋式電阻型傳感器，有兩路輸出，一路為信號輸出，另一路為參比信號。當(dāng)H2以一定速度通過時，信號探頭的阻值發(fā)生微弱變化，采用電橋法使之轉(zhuǎn)換成電壓輸出。由于信號比較微弱，調(diào)理電路中采用了兩級放大，前置放大作用為在抑制噪聲基礎(chǔ)上盡量放大信號，次級運(yùn)放是最大限度提高電平，以輸出適于單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換的信號。原理圖如圖4。圖中Rd為零點(diǎn)校準(zhǔn)，W1為終點(diǎn)校準(zhǔn)電阻。

圖4 H2監(jiān)控電路原理圖Fig 4 Principle diagram of H2monitoring circuit

2.2 軟件設(shè)計

程序設(shè)計采用微芯公司的集成開發(fā)環(huán)境MPLAB，編譯器為PIC18 MCU專用C18編譯器。設(shè)計中采取主程序與中斷服務(wù)子程序相結(jié)合的方法［6］。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5。首先進(jìn)行初始化，包括端口、A/D（初始化后立即啟動轉(zhuǎn)換）、定時器中斷和CAN模塊的初始化。CAN模塊初始化包括波特率、發(fā)送數(shù)據(jù)幀類型（標(biāo)準(zhǔn)幀或擴(kuò)展幀）、完全濾波器、屏蔽濾波器和標(biāo)識符等的設(shè)置，這些過程都是在CAN配置模式下進(jìn)行的。需要注意的是所有CAN子節(jié)點(diǎn)的波特率必須相同，本文中波特率設(shè)定為9 600 bps。隨后進(jìn)入到運(yùn)行模式進(jìn)行CAN數(shù)據(jù)的發(fā)送，采用查詢方式。

圖5 主程序流程圖Fig 5 Flow chart of main program

單片機(jī)獨(dú)特的硬件結(jié)構(gòu)使中斷具有優(yōu)先級，高優(yōu)先級的中斷優(yōu)先響應(yīng)并可以中止正在進(jìn)行的低優(yōu)先級的中斷而優(yōu)先執(zhí)行，之后再返回被中止的中斷程序繼續(xù)執(zhí)行。軟件中設(shè)定定時器1和定時器2具有高優(yōu)先級，定時器3具有低優(yōu)先級。中斷服務(wù)子程序流程圖如圖6，定時器1主要負(fù)責(zé)蜂鳴器的操作，定時器2中對采樣到的值進(jìn)行平均，根據(jù)預(yù)先設(shè)定閾值大小控制繼電器工作和設(shè)定蜂鳴器標(biāo)識，并將數(shù)據(jù)賦值給CAN數(shù)據(jù)寄存器中，定時器3主要是將A/D轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)存儲起來并再次啟動A/D轉(zhuǎn)換。定時器3執(zhí)行過程中，若有定時器1或定時器2中斷到來，將中止程序執(zhí)行并跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)高優(yōu)先程序執(zhí)行，執(zhí)行完后在接著本中斷的執(zhí)行。

圖6 中斷服務(wù)子程序流程圖Fig 6 Subprogram flow chart of interrupting service

3 顯示節(jié)點(diǎn)

3.1 硬件設(shè)計

顯示節(jié)點(diǎn)包括CAN通信接口、顯示電路和輸出電路。

3.1.1 CAN 通信接口設(shè)計

CAN通信接口設(shè)計與智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)中CAN通信接口完全一致，這里不再贅述。

3.1.2 顯示電路和輸出電路

顯示電路中采用字符型液晶顯示芯片LCD1604，模擬電壓輸出采用MAXIM公司的4路12位電壓輸出、I2C接口兼容的MAX5842。備有串口通信接口以供功能擴(kuò)展。電路原理圖如圖7。

3.2 軟件設(shè)計

程序設(shè)計同樣以MPLAB為集成開發(fā)環(huán)境，以C18編譯器作為編譯工具。設(shè)計中采取主程序與中斷服務(wù)子程序結(jié)合的方法。系統(tǒng)主程序流程圖如圖8（a），系統(tǒng)上電后首先完成初始化，包括端口、DA喚醒、定時器1和CAN模塊的初始化，接著循環(huán)進(jìn)行濃度顯示。CAN數(shù)據(jù)接收采取中斷方式，定時器1主要進(jìn)行體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)D/A轉(zhuǎn)換，如圖8（b），設(shè)定CAN接收中斷具有較高的中斷優(yōu)先級。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7 顯示節(jié)點(diǎn)電路原理圖Fig 7 Principle diagram of display node’s circuit

圖8 顯示節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計Fig 8 Program design of display node

本系統(tǒng)選用4個智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，1個顯示節(jié)點(diǎn)。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)采用高純N2和體積分?jǐn)?shù)為3.11% 的H2進(jìn)行零點(diǎn)、終點(diǎn)標(biāo)定。之后分別測量高純 N2，氣體體積分?jǐn)?shù)為1.01%，2.02%和 3.11% 的 H2（空氣作為平衡氣）。測試結(jié)果顯示如表1。

表1 測量結(jié)果Tab 1 Result of test

由測試結(jié)果可以看出:系統(tǒng)測試精度較高，誤差在1%以內(nèi)，并且響應(yīng)速度快，操作簡單可靠，達(dá)到了預(yù)期目的。

5 結(jié)束語

監(jiān)控系統(tǒng)以PIC18F4580作為數(shù)據(jù)處理、控制和顯示的核心，通過單片機(jī)內(nèi)嵌的CAN模塊構(gòu)成CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，又由于CAN總線的特點(diǎn)，可以方便地增加減少智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)而不影響系統(tǒng)運(yùn)行，方便系統(tǒng)維護(hù)和更新，為工業(yè)現(xiàn)場H2測量監(jiān)控提供了一個新途徑，具有實(shí)際應(yīng)用價值。

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