基于CAN總線的消防水泵智能檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 燎，金佛榮，周小軍

ZHANG Liao, JIN Fo-rong, ZHOU Xiao-jun

（甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電信學(xué)院，天水 741025）

0 引言

消防水泵檢測(cè)系統(tǒng)是消防水泵研發(fā)與維護(hù)的檢測(cè)平臺(tái)，對(duì)改進(jìn)消防水泵的設(shè)計(jì)和提高水泵的維護(hù)效率，有著極其重要的意義[1,2]。目前國(guó)產(chǎn)的檢測(cè)系統(tǒng)主要有兩種類型：一是傳統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)[3]，存在硬件集成復(fù)雜,人機(jī)交互性能差,操作不方便,可靠性低等缺點(diǎn)；二是采用RS485（或RS232）總線技術(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)[4]，雖然結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，可靠性較高，但存在通信的吞吐量低、實(shí)時(shí)性較差、從機(jī)的系統(tǒng)開銷大且從機(jī)間通信難度大等缺點(diǎn)。隨著信息化、自動(dòng)化和智能化技術(shù)的發(fā)展，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的布線方式、信號(hào)傳輸方式、顯示方式、檢測(cè)與診斷方式提出了更高要求[5]，傳統(tǒng)及RS485總線類型的的檢測(cè)系統(tǒng)已不能滿足要求，影響了消防水泵的研發(fā)與日常維護(hù)效率。

文章針對(duì)現(xiàn)有消防水泵檢測(cè)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，提出了基于CAN總線[5,6]的智能檢測(cè)解決方案，不僅實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)系統(tǒng)的小型化，而且實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)的智能化和自動(dòng)化。

1 CAN總線簡(jiǎn)介

CAN即控制器局域網(wǎng)絡(luò)（ControllerArea Network），是ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。由于它具有能完成通信數(shù)據(jù)的成幀處理、在理論上能使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)不受限制，網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間能進(jìn)行自由通信，數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)、開發(fā)周期短、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[7]，使CAN總線已成為國(guó)際通用的現(xiàn)場(chǎng)總線，并被公認(rèn)為是最有發(fā)展前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，倍受工業(yè)界的重視，在汽車工業(yè)、航空工業(yè)、工業(yè)控制等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

2 檢測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案

檢測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由數(shù)據(jù)采集與處理、虛擬儀表和輔助診斷等三大模塊組成（如圖1所示），各模塊之間可通過(guò)CAN總線自由通信，CAN總線通信采用J1939協(xié)議[8]。傳感器所測(cè)模擬信號(hào)由LM8962芯片及附屬電路采集處理，處理結(jié)果被發(fā)送到CAN總線上，供虛擬儀表電路模塊和輔助診斷模塊讀取。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)檢測(cè)消防水泵的轉(zhuǎn)速、扭矩、水泵流量、水泵進(jìn)出口壓力和介質(zhì)的溫度等6個(gè)參數(shù)，就可以計(jì)算出衡量水泵性能的揚(yáng)程、軸功率、效率等關(guān)鍵參數(shù)，再調(diào)用專家?guī)?，可?duì)消防水泵的性能和工況進(jìn)行評(píng)價(jià)與鑒定。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集與處理、虛擬儀表、輔助診斷、測(cè)試平臺(tái)和軟件等部分組成。

3.1.1 數(shù)據(jù)采集與處理模塊

數(shù)據(jù)采集與處理模塊主要由傳感器節(jié)點(diǎn)組、信號(hào)調(diào)理電路、主控模塊（LM8962）、輸出控制模塊、CAN驅(qū)動(dòng)電路等組成。傳感器測(cè)量的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路的放大和濾波后，主控芯片對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和二次計(jì)算等處理，然后向CAN總線發(fā)送采集結(jié)果。

主控芯片采用的是Luminary Micro公司所提供的一款具有ARM Cortex-M3核心的Stellaris 系列ARM控制器LM3S8962[9]，它具有支持CAN 2.0 A/B的CAN控制接口、4路10位1M次/秒采樣的ADC單元、PWM（脈寬調(diào)制器）、QEI（正交編碼器接口）單元及其他一些通用串并行接口。LM3S8962 CAN模塊主要由CAN協(xié)議控制器和報(bào)文處理器、消息存儲(chǔ)區(qū)、CAN寄存器接口三部分組成。

CAN驅(qū)動(dòng)芯片采用的是PHILIP公司的高速CAN 總線收發(fā)器TJA1040，它與PCA82C250/251以及TJA1050完全兼容，CAN驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

圖2 CAN驅(qū)動(dòng)電路

3.1.2 虛擬儀表模塊

虛擬儀表包括計(jì)算機(jī)硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過(guò)程通信以及圖形用戶界面的應(yīng)用軟件，虛擬儀表主要完成對(duì)水泵數(shù)據(jù)的處理、表達(dá)、傳送、存儲(chǔ)、顯示等功能。儀表顯示值通過(guò)CAN總線從傳感器/控制節(jié)點(diǎn)獲得，也能與PC機(jī)進(jìn)行通信，并顯示PC機(jī)診斷的結(jié)果。

虛擬儀表的主控單元采用的是三星公司的ARM9處理器S3C2440[10]。其核心處理器是由Advanced RISC Machine 有限公司設(shè)計(jì)的16/32位ARM920T處理器。ARM920T內(nèi)核時(shí)鐘能達(dá)到300-400MHZ，并實(shí)現(xiàn)了MMU、AMBA BUS和Harvard高速緩沖體系結(jié)構(gòu)。S3C2440片上集成了外部存儲(chǔ)控制器(SDRAM控制及片選邏輯)、LCD控制器、DMA控制器、UART、SPI等多種功能。由于S3C2440沒(méi)有CAN總線接口，可以通過(guò)一塊轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)CAN總線的接口與通信。

CAN轉(zhuǎn)換芯片采用的是MicroChip公司的帶有SPI 接口的獨(dú)立CAN 控制器MCP2510，它完全支持CAN總線V2.0A和V2.0B技術(shù)規(guī)范。采用MCP2510實(shí)現(xiàn)主控芯片的SPI轉(zhuǎn)CAN的硬件接口電路如圖3所示。另外，為了連接到CAN網(wǎng)絡(luò)上，后級(jí)需要接CAN驅(qū)動(dòng)芯片TJA1040。

3.1.3 輔助診斷模塊

PC機(jī)輔助診斷模塊主要根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)消防水泵工況進(jìn)行診斷，該模塊可根據(jù)檢測(cè)要求，可靈活配置。輔助診斷模塊主要由PC機(jī)和CAN總線接口卡組成，用于分析消防水泵的工況。PC為一臺(tái)筆記本電腦，其與CAN的接口采用的是廣州周立功公司的非智能CAN總線接口卡PCI-9810。

3.1.4 測(cè)試平臺(tái)

根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定，水泵的性能試驗(yàn)裝置可分為開式試驗(yàn)裝置和閉式試驗(yàn)裝置。文章采用了開式試驗(yàn)裝置，測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)是依據(jù)GB3216-89要求進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)精度符合國(guó)家B級(jí)要求，測(cè)試平臺(tái)如圖4所示。

圖3 虛擬儀表CAN接口電路

圖4 消防水泵測(cè)試平臺(tái)

3.2 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)已設(shè)計(jì)好的J1939協(xié)議棧[11]，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要完成各模塊與CAN總線的軟件接口、虛擬儀表和PC診斷模塊的設(shè)計(jì)。

虛擬儀表采用了嵌入式操作系統(tǒng)Linux 2.6，軟件設(shè)計(jì)主要包括了顯示與通信兩個(gè)部分。其中在通信部分，通過(guò)中斷中將CAN報(bào)文從CAN總線接收到CAN總線上，并開辟了一個(gè)發(fā)送線程，不斷將發(fā)送緩沖區(qū)中報(bào)文發(fā)送到CAN總線上。虛擬儀表界面如圖5所示。

圖5 虛擬儀表界面

采用C#進(jìn)行PC診斷模塊的軟件設(shè)計(jì)，軟件工作流程為：從CAN總線讀取數(shù)據(jù)，與消防水泵規(guī)定的參數(shù)進(jìn)行比較，調(diào)用消防水泵專家數(shù)據(jù)庫(kù)，判斷消防水泵工況是否正常，同時(shí)將測(cè)量和診斷結(jié)果存入本機(jī)Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)，供查詢和打印使用。

4 測(cè)試結(jié)果

以3DSL-3/17.5型水泵為測(cè)試樣本，該水泵的額定工作參數(shù)為：流量25m3/h，揚(yáng)程19米，軸功率2kW，效率61%。根據(jù)該水泵的特點(diǎn)，選取了一組測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，文章僅列出了轉(zhuǎn)速為2900的測(cè)試點(diǎn)結(jié)果（如圖6所示）。結(jié)果表明：測(cè)試參數(shù)與規(guī)定參數(shù)吻合程度較好，與規(guī)定參數(shù)比較，軸功率誤差不超過(guò)6.2%，揚(yáng)程誤差不超過(guò)8.6%，效率誤差不超過(guò)7.5%，說(shuō)明檢測(cè)系統(tǒng)所測(cè)參數(shù)正確，精度滿足要求，可靠性高。

圖6 測(cè)試曲線

5 結(jié)論

1）提出了基于 CAN總線的消防水泵檢測(cè)系統(tǒng)解決方案，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件和軟件，并進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)所測(cè)參數(shù)正確，檢測(cè)操作方便；PC輔助診斷模塊能正確診斷水泵的工況，系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化程度高；CAN總線整合了系統(tǒng)部件，通信的實(shí)時(shí)性和可靠性較高；虛擬儀表替代了傳統(tǒng)儀表，布線簡(jiǎn)潔明了，檢測(cè)數(shù)據(jù)能集中顯示，節(jié)約了開發(fā)成本。系統(tǒng)工作的可靠性高，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)系統(tǒng)的小型化，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

2）該系統(tǒng)于2012年投入天水市武警消防隊(duì)使用，未出現(xiàn)故障，可靠性高，確保了消防裝備的出勤率。

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