基于CAN 總線的閥門(mén)電動(dòng)裝置測(cè)試系統(tǒng)

紀(jì)慧泉 紀(jì)金泉

1.揚(yáng)州商務(wù)高等職業(yè)學(xué)校信息電子系；2.揚(yáng)州電力設(shè)備修造廠

基于CAN 總線技術(shù)，以ARM 處理器為核心，通過(guò)CAN 收發(fā)器構(gòu)成閥門(mén)電動(dòng)裝置測(cè)試儀的通訊接口，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試儀完成電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的出廠質(zhì)量檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)CAN 總線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。本文介紹了整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、測(cè)試儀的硬件結(jié)構(gòu)、CAN 總線的傳輸協(xié)議、CAN 智能節(jié)點(diǎn)的硬件及軟件設(shè)計(jì)。

概述

驅(qū)動(dòng)閥門(mén)的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)涉及門(mén)類(lèi)多、品種復(fù)雜、量大面廣，其質(zhì)量好壞、技術(shù)水平高低直接影響著各工業(yè)系統(tǒng)的性能和安全可靠性。為了保證電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的出廠質(zhì)量，我校研究人員與一家專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)閥門(mén)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的廠家聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一種電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)測(cè)試系統(tǒng)，此測(cè)試系統(tǒng)要求嚴(yán)格遵循中華人民共和國(guó)電力行業(yè)《電站閥門(mén)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)》標(biāo)準(zhǔn)。為了保證測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性，現(xiàn)場(chǎng)采用技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、功能完善、成本合理的CAN 總線遠(yuǎn)程通訊方式。

采用CAN 總線后，通訊采用兩根信號(hào)線，實(shí)現(xiàn)將測(cè)試儀的檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳，上位機(jī)軟件通過(guò)上傳的數(shù)據(jù)分析，并根據(jù)分析的結(jié)果對(duì)測(cè)試儀發(fā)送合格、不合格、再傳一次的命令，產(chǎn)品合格將檢測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并打印合格證等。

系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu)

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在出廠前必須標(biāo)定其性能指標(biāo)，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法效率低測(cè)試過(guò)程復(fù)雜，而且測(cè)試結(jié)果的精確度受操作人員影響，研制開(kāi)發(fā)工業(yè)用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)保障工業(yè)安全，提高自動(dòng)化程度，具有重要的意義。采用所開(kāi)發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)與傳統(tǒng)測(cè)試方式相比，在測(cè)試范圍、測(cè)試精度、測(cè)試效率上均有明顯提高，而且能夠記錄下測(cè)量的數(shù)據(jù)，便于保存出廠參數(shù)。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)測(cè)試系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確方便的測(cè)試，為產(chǎn)品的質(zhì)量提供了有力保障，提高了企業(yè)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力和生產(chǎn)效率，為企業(yè)帶來(lái)了巨大的效益。

系統(tǒng)的功能

根據(jù)《電站閥門(mén)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)》規(guī)定，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在出廠前必須對(duì)如下方面進(jìn)行測(cè)試。

開(kāi)關(guān)型：必測(cè)項(xiàng)目有堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、最大控制轉(zhuǎn)矩、最小控制轉(zhuǎn)矩、設(shè)置轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)速、最大控制轉(zhuǎn)矩位置、最小控制轉(zhuǎn)矩位置；抽測(cè)項(xiàng)目有最大控制轉(zhuǎn)矩重復(fù)偏差、行程重復(fù)偏差等。

調(diào)節(jié)型：必測(cè)項(xiàng)目有堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、最大控制轉(zhuǎn)矩、最小控制轉(zhuǎn)矩、設(shè)置轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)速、最大控制轉(zhuǎn)矩位置，最小控制轉(zhuǎn)矩位置、基本誤差；抽測(cè)項(xiàng)目有最大控制轉(zhuǎn)矩重復(fù)偏差、行程重復(fù)偏差、回差、死區(qū)、阻尼特性等。

測(cè)試儀測(cè)試的上述數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)軟件根據(jù)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果發(fā)出指令。

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

本測(cè)試系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1 所示，它由PC 機(jī)、CAN 接口卡、測(cè)試儀等組成。上位機(jī)通過(guò)CAN接口卡與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀進(jìn)行通信，完成測(cè)控系統(tǒng)的信息傳輸。

測(cè)試儀硬件設(shè)計(jì)

硬件電路的組成部分

圖1 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

數(shù)字量輸入信號(hào)經(jīng)光耦隔離送到CPLD，再傳輸?shù)紸RM 處理經(jīng)CPLD 輸出；模擬量輸入，由于測(cè)量精度要求較高，故選用24 位的AD7731，AD7731 是美國(guó)ADI 公司開(kāi)發(fā)的24 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，采用∑-△轉(zhuǎn)換技術(shù)，具有低噪聲、高分辨率、高可靠性及線型性好等特點(diǎn)，可直接接受來(lái)自傳感器的輸入信號(hào)，無(wú)需加傳統(tǒng)的程控放大器、調(diào)理電路等，適合測(cè)量寬動(dòng)態(tài)范圍的低頻信號(hào)；模擬量的輸出采用16 位DAC 芯片；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)通過(guò)EEPROM 實(shí)現(xiàn)，EEPROM 存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包括標(biāo)定、動(dòng)態(tài)的測(cè)量值；顯示與打印由LCD與微型打印機(jī)實(shí)現(xiàn)；指示燈通過(guò)光繼電器驅(qū)動(dòng)；電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與加載機(jī)構(gòu)通過(guò)接觸器驅(qū)動(dòng)；數(shù)據(jù)上傳是基于CAN 總線實(shí)現(xiàn)。

測(cè)試儀的簡(jiǎn)要工作過(guò)程

將電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝在測(cè)試臺(tái)架上，使轉(zhuǎn)距控制不起作用，通過(guò)開(kāi)關(guān)量的輸出使電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟動(dòng)并逐漸加載，經(jīng)脈沖采樣信號(hào)測(cè)試轉(zhuǎn)速，直到電動(dòng)機(jī)停止為止，進(jìn)行堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩測(cè)試。輸出轉(zhuǎn)距通過(guò)A/D 采集并在LCD 顯示、自動(dòng)記錄到EEPROM 中。

控制轉(zhuǎn)矩的測(cè)試是將轉(zhuǎn)距控制機(jī)構(gòu)在開(kāi)、關(guān)方向分別調(diào)至目的轉(zhuǎn)距，通過(guò)開(kāi)關(guān)量的輸出使電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟動(dòng)并逐漸加載，力矩開(kāi)關(guān)動(dòng)作通過(guò)開(kāi)關(guān)量傳輸?shù)紺PLD 直至ARM，輸出力矩通過(guò)A/D 采集并在LCD 顯示、自動(dòng)記錄到EEPROM 中。

轉(zhuǎn)矩重復(fù)偏差的測(cè)試過(guò)程是將轉(zhuǎn)距控制機(jī)構(gòu)在開(kāi)、關(guān)方向調(diào)至最大控制轉(zhuǎn)距，在開(kāi)、關(guān)方向通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸出，分別空載啟動(dòng)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，逐漸加載直至轉(zhuǎn)距控制機(jī)構(gòu)動(dòng)作，通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸入到ARM，測(cè)量通過(guò)A/D 采集，輸出轉(zhuǎn)距值在LCD 顯示，開(kāi)關(guān)方向各測(cè)量三次，按DL/T 641 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算控制轉(zhuǎn)距的重復(fù)偏差值并自動(dòng)記錄到EEPROM 中。

行程重復(fù)偏差、基本誤差、回差、死區(qū)、阻尼特性等根據(jù)DL/T 641 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，最后將測(cè)試結(jié)果通過(guò)CAN 總線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)，分析后向下位機(jī)發(fā)出指令，如果上位機(jī)指示合格將測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)微型打印機(jī)打印出來(lái)。

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)測(cè)試儀硬件框圖如圖2。

CAN 智能節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

CAN 智能節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)如圖3 所示：由ARM 微控制器、CAN 總線收發(fā)器、高速光耦、電源隔離模塊等組成。

圖2 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)測(cè)試儀硬件框圖

微控制器集成有CAN 控制器，使得系統(tǒng)的體積小、功率低、抗干擾性好、減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度且可靠性高，符合CAN2.0B 標(biāo)準(zhǔn)。

CAN 收發(fā)器是控制器局域網(wǎng)協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，可以為CAN 總線提供不同的發(fā)送性能，為CAN 控制器提供不同的接收性能，它有如下的特征：與“ISO11898”標(biāo)準(zhǔn)完全兼容、速度高（最高可達(dá)1M 波特）、低電磁輻射、帶有寬輸入范圍的差動(dòng)接收器、可抗電磁干擾、沒(méi)有上電的節(jié)點(diǎn)不會(huì)對(duì)總線造成干擾、發(fā)送數(shù)據(jù)控制超時(shí)功能、發(fā)送禁能時(shí)的靜音模式、在暫態(tài)時(shí)對(duì)總線引腳進(jìn)行保護(hù)、輸入級(jí)與3.3V 裝置兼容、熱保護(hù)、對(duì)電源和地的防短路功能、可以連接至少110 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

采用DC-DC 模塊與光電隔離器件，可抑制電磁干擾，保護(hù)系統(tǒng)不受網(wǎng)絡(luò)的影響。通過(guò)隔離模塊使系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)之間在電氣上隔離并獨(dú)立，為了提高節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性，在CAN 總線的兩端加一限流電阻，對(duì)于總線的阻抗匹配起著重要的作用，可提高數(shù)據(jù)通訊的抗干擾性及可靠性，CANH 和CANL 與地之間并聯(lián)一個(gè)濾波電路，可以濾除總線上的高頻干擾并有一定的防電磁輻射的能力。

通訊協(xié)議

本系統(tǒng)采用CAN2.0B 協(xié)議幀格式，CAN2.0B 標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)支持11 位標(biāo)識(shí)符和擴(kuò)展的29 位標(biāo)識(shí)符，規(guī)范定義了傳輸層，并定義了CAN 協(xié)議在周?chē)鲗又兴l(fā)揮的作用，系統(tǒng)選擇了11 位標(biāo)識(shí)符的標(biāo)準(zhǔn)，基于HILONB 協(xié)議定義了應(yīng)用層的協(xié)議。CAN 標(biāo)準(zhǔn)幀信息為11 位：信息和數(shù)據(jù)部分。

下位機(jī)發(fā)送到上位機(jī)時(shí)數(shù)據(jù)格式為：前三個(gè)字節(jié)為信息部分，字節(jié)1 為幀信息，F(xiàn)F 表示幀格式，標(biāo)準(zhǔn)幀時(shí)為0，RTR 表示幀類(lèi)型，為0時(shí)為數(shù)據(jù)幀，為1時(shí)為遠(yuǎn)程幀，DLC 在數(shù)據(jù)幀時(shí)表示數(shù)據(jù)的實(shí)際長(zhǎng)度，字節(jié)2、3 位為報(bào)文識(shí)別碼，ID 高7 位表示源地址，地址范圍為1～125，ID 低3 位為幀類(lèi)型，字節(jié)4 為目的地址，地址范圍為1～125，字節(jié)5 為索引字節(jié)，字節(jié)6～11 為實(shí)際的數(shù)據(jù)。

上位機(jī)發(fā)送到下位機(jī)時(shí)數(shù)據(jù)格式為：前三個(gè)字節(jié)為信息部分，字節(jié)1 為幀信息，F(xiàn)F 表示幀格式，標(biāo)準(zhǔn)幀時(shí)為0，RTR 表示幀類(lèi)型，為0 時(shí)為數(shù)據(jù)幀，為1時(shí)為遠(yuǎn)程幀，DLC 在數(shù)據(jù)幀時(shí)表示數(shù)據(jù)的實(shí)際長(zhǎng)度，字節(jié)2、3 位為報(bào)文識(shí)別碼，ID 高7 位表示源地址，地址范圍為1～125，ID 低3 位為幀類(lèi)型，字節(jié)4 為目的地址，地址范圍為1～125，字節(jié)5 為索引字節(jié)，字節(jié)8 為命令字節(jié)，下位機(jī)通過(guò)此字節(jié)判斷要執(zhí)行的命令，其余的數(shù)據(jù)位無(wú)效。

圖3 CAN 智能節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

通訊系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

通訊開(kāi)發(fā)環(huán)境選用ARM 公司的開(kāi)發(fā)工具ADSV1.2，支持C/C++編譯鏈接。程序的編寫(xiě)主要是針對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)，主程序只要調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序就可以了，驅(qū)動(dòng)程序包含如下的部分：CAN 控制器的初始化、CAN 控制器發(fā)送數(shù)據(jù)、CAN 控制器發(fā)送命令、CAN 控制器接收數(shù)據(jù)、CAN 控制器中斷處理。

初始化CAN 模塊函數(shù)

初始化CAN 模塊函數(shù)主要用來(lái)設(shè)置CAN 工作時(shí)的參數(shù)，工作前必須進(jìn)行此項(xiàng)設(shè)置。初始化的內(nèi)容包含：硬件使能CAN、設(shè)置CAN 報(bào)警界限、設(shè)置總線波特率、設(shè)置中斷工作方式、設(shè)置CAN 驗(yàn)收過(guò)濾器的工作方式、設(shè)置CAN 控制器的工作方式等。初始化時(shí)首先要復(fù)位CAN控制器，一些寄存器只有在復(fù)位時(shí)才能修改其值，進(jìn)入工作模式前必須調(diào)用使能函數(shù)。

CAN 控制器有接收過(guò)濾設(shè)置，系統(tǒng)采用全局接收濾波方式，包含512×32（2K）的RAM，通過(guò)軟件處理，可在RAM 中存放1～5 個(gè)標(biāo)識(shí)符表格，能滿足設(shè)計(jì)復(fù)雜的ID 接收過(guò)濾的要求。當(dāng)CAN 控制器的接收端已接收到一個(gè)完整的標(biāo)識(shí)符，它將通知接收過(guò)濾器，接收過(guò)濾器響應(yīng)這個(gè)信號(hào)，并讀出控制編號(hào)、標(biāo)識(shí)符尺寸，然后，接收搜索AF RAM 中的表格進(jìn)行匹配，以決定接收或放棄這一幀信息。

CAN控制器接收過(guò)濾設(shè)置步驟：建立標(biāo)準(zhǔn)幀表格內(nèi)容、建立一個(gè)LUT 表格、初始化標(biāo)準(zhǔn)幀范圍表格、設(shè)置接收過(guò)濾器模式。通過(guò)上述設(shè)置，即可完成所要的過(guò)濾條件。

發(fā)送數(shù)據(jù)

系統(tǒng)將需上傳的臺(tái)號(hào)、工號(hào)、出廠編號(hào)、產(chǎn)品類(lèi)型、調(diào)節(jié)型基本誤差、輸出轉(zhuǎn)速、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、最大最小控制轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩位置、設(shè)置轉(zhuǎn)矩、回差、死區(qū)、轉(zhuǎn)矩重復(fù)偏差、行程重復(fù)偏差、阻尼特性等按上傳的數(shù)據(jù)按協(xié)議分幀上傳，在發(fā)送前先查詢(xún)發(fā)送緩沖區(qū)是否有數(shù)據(jù)，如果發(fā)送緩沖區(qū)為空，可將上傳的數(shù)據(jù)寫(xiě)入發(fā)送緩沖區(qū)，并啟動(dòng)發(fā)送，延時(shí)一段時(shí)間，通過(guò)查詢(xún)寄存器的位判斷發(fā)送是否成功，當(dāng)發(fā)送成功時(shí)方可進(jìn)行后續(xù)幀的傳輸。

接收數(shù)據(jù)

圖4 通訊部分軟件流程圖

為了提高系統(tǒng)效率，采用中斷接收。當(dāng)ID 滿足接收過(guò)濾設(shè)置的范圍時(shí)，即進(jìn)入中斷接收，程序通過(guò)接收到的狀態(tài)信息與數(shù)據(jù)信息，根據(jù)協(xié)議進(jìn)行相關(guān)的處理。

異常情況處理

當(dāng)總線出現(xiàn)出錯(cuò)警告、數(shù)據(jù)溢出、錯(cuò)誤認(rèn)可、仲裁丟失、總線錯(cuò)誤時(shí)，將進(jìn)入異常中斷處理并清除相關(guān)的標(biāo)志位，以便CAN 控制器能夠持續(xù)的工作。如果沒(méi)有異常處理，將會(huì)出現(xiàn)接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)不能釋放，從而引起后面的數(shù)據(jù)丟失，所以異常情況的處理比較重要。

通訊部分軟件流程圖如圖4所示。

結(jié)束語(yǔ)

基于CAN 總線技術(shù)，以ARM 系列微控制器為核心，采用CAN 收發(fā)器構(gòu)成的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)測(cè)試系統(tǒng)，為企業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量提供了有力的保證，并有效地提高了測(cè)試工作人員的工作效率和檢測(cè)可靠性。