刘 娜 / 辽宁机电职业技术学院

基于CAN总线的流量监控系统

刘 娜 / 辽宁机电职业技术学院

介绍一种基于CAN总线的流量监控系统。该系统由微机系统和涡街流量计构成。系统的设计为智能流量计的联网监控提供了理想的解决方案。

现场总线；涡街流量计；仪表系数

0　引言

随着工业自动化水平的日益发展，对现场流量计的智能化要求越来越高。对流量计集中监控，形成流量监测系统，增强系统的开放性、可靠性和通信功能是发展的必然趋势。将单片机技术、CAN总线技术及组态软件技术应用于流量测量系统中，是智能流量计联网的理想解决方案。

本文介绍一种基于CAN总线的流量监控系统。该系统由微机系统和涡街流量计构成。

以下分别介绍该系统各主要部件的工作原理以及设计方案。

1　涡街流量计工作原理

涡街流量计的工作原理是，在流体中安放一根（或多根）非流线型发生体（bluff body），流体两侧会交替出现两串规则的旋涡。在一定流量范围内，管道内的平均流速正比于旋涡分离频率，通过测量旋涡分离频率便可算出流体的瞬时流量［1］。

涡街流量计主要用于测量工业管道中的气体、液体、蒸气等多种介质流量，具有压力损失小，量程大，校验简便，仪表价格适中等特点，做成标准结构的总线型仪表，很容易与微机等数字系统配套使用，是一种量大面广型的产品。

根据采用的旋涡发生体和涡街频率检测方式分类，涡街流量计的种类繁多，但基本由传感器、转换器、单片机控制单元三个主要部分组成。传感器由旋涡发生体、频率检测元件和仪表表体构成［2］。

测量采用的对称涡街流量传感器，使用的检测元件是压电传感。为了测量流体的流量，对称式流量传感器B安装在涡街流量计中旋涡发生体A的后面，传感器的轴线与旋涡发生体平行，整个传感器都沉浸在流体中［3］，如图1所示。转换器部分应包括放大电路、滤波电路、电压放大、限幅整形等部分［3］。

图1　流量传感器

2　流量计单片机控制部分原理图

整形后的频率信号经过计数器进入单片机中。单片机控制单元在流量测量节点中起着极其重要的作用，影响流量计的测量准确度。该部分由单片机、高精度二进制计数器、LCD显示、键盘、时钟芯片、CAN通信接口、欠压指示电路、存储电路等部分组成［4］［5］。流量计是流量系统的一个节点，电路图如图2所示。

通信部分采用PHILIPS公司的SJA1000CAN控制器以及82C250总线收发器。82C250可以支持110个CAN节点，另外PHILIPS的产品型号比较多，购买比较方便。

SJA1000是Philips公司生产的CAN控制器，是PCA82C200的后继产品，在软件和引脚上均与PCA82C200兼容。它增加了许多新的功能，使得其性能更佳，尤其适用于对系统优化、诊断和维护要求比较高的场合［6］。

CAN通信协议主要是由CAN控制器完成的。SJA1000是适用于汽车和一般工业环境控制器局域网（CAN）的高集成度独立控制器，具有完成高性能通信协议所要求的全部必要特性，具有简单总线连接的SJA1000可完成物理层和数据链路层的所有功能。应用层功能可由微控制器完成，SJA1000为其提供了一个多用途的接口［7］［8］。

PCA82C250第8引脚与地之间的电阻 Rs 称为斜率电阻。把该引脚直接与地相连，处于高速工作方式；通过电阻边地为斜率方式，Rs值上升及下降的斜率，决定通信的速度。实验数据表明，15 ～ 200 kΩ为 Rs 较理想的取值范围。该情况下，可以使用平行线或双绞线作总线［9］。

为了进一步增强抗干扰能力，在SJA1000与PCA82C250之间，可用高速光电耦合器6N137实现总线上各CAN节点间的电平隔离。CAN总线上的终端匹配电阻，一般取值108～132 Ω。

若干个CAN总线接口的网络节点（涡街流量计）和微机（带有CAN总线适配卡）组成流量监控系统，因此软件设计分微机监控程序与流量计单片机程序两部分。

图2　流量计硬件原理图

3　流量计单片机程序设计

SJA1000有两种操作模式basic CAN和peli CAN，通电默认为第一种。通电前必须配置好相关寄存器用于建立通信的硬件连接。

如果通电后在管脚17，CAN控制器得到一个复位脉冲，CAN控制器通过读取检测信号来看是否进入复位模式。只有在复位模式下，才能对多个寄存器做初始化编程。

流量计处理流量信号的子程序如图3所示。

4　计算机监控软件

CAN是一种有效支持分布式控制或实时控制的总线式网络结构。网络结构简单、成本低、可靠性高。微机中的CAN总线适配卡负责与现场的流量计节点进行通信。由于CAN适配卡提供了总线仲裁、错误监测和自动重发等功能，避免了数据丢失并保证了系统的稳定性和可靠性。本系统采用研华公司生产的PCL-841完成CAN适配卡的功能。在本文中采用了国产组态软件组态王编写的微机监控程序［10］。

组态王中开发了流量计主控界面、流量计显示界面、流量计数据处理界面、报警控制台界面、曲线显示界、报表界、参数设置界面等。不同的界面配合相关的控制，通过主界面可以调用不同的界面，对于操作人员设置了不同的权限，

组态王的主控程序如图4所示。

图3　流量计处理流量信号子程序

图4　主控程序框图

5　结语

基于CAN总线的流量监控系统不仅可保证系统准确、可靠工作，而且具有通用性、实时性以及可扩展性等特点，可用于油田注水计量站中对水流量的集中监控，替代人工计量方式，及时、准确地为油田部门提供注水工程资料。

［1］ 蔡武昌.流量仪表若干发展趋势和应用进展.中国仪器仪表，2001，25（2）:46-48.

［2］ 刘玉萍，姜川涛，李梦蜜等.智能数字涡街流量计开发.自动化与自动化仪表，2012，164（4）:120-121.

［3］ 纪刚.流量测量仪表应用技巧［M］.北京:化学工业出版社，2010:189-196.

［4］ 张毅刚主编. 单片机原理及接口技术（C51编程）［M］，人民邮电出版社出版，2011:23-27.

［5］ 赵威，冯娜主编，单片机基础及应用［M］，北京:清华大学出版社出版，2009:20-28.

［6］ 牛跃听.CAN总线嵌入式开发--从入门到实践［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2012:41-49.

［7］ 张培仁、杜洪亮.CAN现场总线监控系统原理和应用设计［M］.合肥:中国科学技术大学出版社，2011:132-136.

［8］ 郭琼.现场总线及其应用技术［M］.北京:机械工业出版社，2011:120-128.

［9］ 唐济扬.现场总线与工厂底层自动化及信息集成技术，中国工控参赛论文，北京，2004:3-4.

［10］ 苏静明，洪炎.基于PLC和组态王的节能控制站远程监控系统研究.工矿自动化，2011，179（2）:20-23.

A flow monitoring system based on CAN fieldbus

Liu Na
（Liaoning Mechanic And Electronic Professional Technological college）

A flow monitoring system based on CAN fieldbus is introduced. The system is composed of microcomputers and vortex flowmeters.The design provides an ideal settlement for networking monitoring for smart flowmeters.

fieldbus； vortex flowmeter； apparatus coefficient