基于CAN总线的仪器运行监测系统设计

2019-08-05孟群升郭书军

仪器仪表用户 2019年9期

孟群升，郭书军

（北方工业大学信息学院，北京 100144）

0 引言

随着人们生活水平的不断提高，越来越多的智能仪器开始出现在公众的视野中。智能仪器是将人工智能的理论、方法和技术应用在普通仪器上[1]，而为了实现这种特性或者是功能，智能仪器中一般都具有嵌入式微处理器，实现硬件软件相结合。并且随着社会的发展，往往还需要同时间测量不同地点、不同测量量是否工作在正常的范围内，进行数据收集。所以分布式测量监测系统应用而生，每个设备与主机进行通信，实现数据的收集与设备运行状态的监测。但是，目前测量监测系统缺乏集成性，大多采用传统一对一、点到点的传输方式，不能够同时间监测到不同点的数值，无法满足要求。

图1 系统拓扑图Fig.1 System topology

针对测量监测系统存在的以上问题，综合运用有线通信技术以及嵌入式软硬件技术，设计一套硬件电路，支持CAN 总线传输数据，量程自动切换、数据保存，报警等功能，实现可广泛应用在工厂电压监测、设备数据监测的系统。

1 系统方案设计

为了增强系统可维护性，系统采用了模块化设计思想，减少系统之间的耦合性[2]。各模块与主控芯片相结合，实现数据的测量、存储和实时传输等功能。

1.1 系统需求

设计中对系统提出以下要求：

1）处理器具有高速运算处理能力，能够满足对数据处理与后续开发的要求。

2）具有实时数据传输，对多个点的设备可进行同时监测与数据通信。

3）具有记忆存储功能，可通过设备进行查看，也可通过上位机访问数据库进行历史数据查看。

4）具有扩展机制，预留接口，方便加入扩展设备。

5）具备报警机制，上位机可查看出现问题的设备，进行预警操作。

1.2 总体设计

本文所研究的基于CAN 总线的仪器运行监测系统，以混合MCU-STM32F303 为核心，结合各独立模块组成终端设备，实现数据的采集与处理。数据传输采用CAN 总线的方式，具有高可靠性、高实时性和配置灵活等特点，在工业控制领域应用非常广泛。本系统拓扑结构如图1 所示。

从图1 可以看出，基于CAN 总线的仪器运行监测系统分下位机和上位机两部分组成。下位机通过功能切换与量程自动识别实现对各个电参量数据地采集，并通过CAN 总线的方式对数据进行实时传输。上位机可同时获取不同地点的设备的信息，并且上位机可下发指令，实现对下位机的控制与数据监测。

图2 系统硬件结构框图Fig.2 System hardware block diagram

2 系统硬件设计

本系统采用STM32F303 主控芯片，对设备进行控制与数据采集，使用了CAN 总线的方式对数据进行传输。其中，系统还具有存储模块、测量模块（模拟前端）、按键模块、LCD 显示模块、功能选择模块、报警模块和通信模块。其中，测量模块中包括直流电压模块，交流电压模块、直流电流模块、交流电流模块、量程自动切换模块和保护模块。各模块之间互不影响，并将各种电参量转换为STM32 可识别的电压信号，供STM32 的ADC 进行采集。系统硬件结构框图如图2 所示。

2.1 测量模块

测量模块中包括直流电压模块、交流电压模块、直流电流模块、交流电流模块、量程自动切换模块和保护模块等6 部分组成。

其中直流电压模块、交流电压模块用一套分压电阻，模拟开关选用MAX4638 芯片，实现量程自动切换，其内阻小，对测量的准确性影响较小。交直流电压转换采用TL082 实现线性半波整流，采用RC 滤波电路，得到处理后的直流电压值供STM32 的ADC 采集，由于STM32 自带ADC 输入内阻小，而电压分压器的输入电阻为1MΩ，造成无法采集到实际数据，所以在ADC 采集前加一级电压跟随器，保持输出电压的同时，减小输入电阻，以免造成数据采集不准确。

电流模块将电流信号通过小电阻转换为直流电压信号供ADC 进行采集，量程转换采用电磁继电器进行切换，由于模拟开关的输入电流不宜过大，所以采用电磁继电器进行量程地切换。

图3 直流电压模块电路图Fig.3 Circuit diagram of DC voltage module

保护模块，在ADC 采集管脚与模拟开关输入引脚前加入钳位二极管，保证输入电压不大于3.3V，以免烧坏芯片。测量模块中，直流电压模块为基础模块，任何电信号都要转换为STM32 可识别的电压信号进行AD 采集，其中直流电压模块电路图如图3 所示。

2.2 CAN模块

STM32F3 系列有CAN 2.0B 通信接口，结合SJA1040芯片实现数据传输。通过CAN 总线连接各个网络节点，形成分布式控制系统。传输介质采用双绞线、同轴电缆或光纤。CAN 总线有两个ISO 国际标准，本文采用ISO11898的高速CAN 通信协议，属于闭环总线，传输速率可达1Mbps。总线拓扑图如图4 所示。

节点两端要加入120Ω 电阻，注意阻抗匹配，否则无法实现传输。同时CAN 总线具有硬件过滤机制，配置过滤器可以在硬件上实现是否接收数据，减少主CPU 对软件处理的负担。

2.3 电源模块

电池正极分为两路，第一路接入到LM1117-3.3 的输入端，LM1117-3.3 是三端集成稳压芯片，其输出端输出恒定的3.3V 作为单片机的系统电源与基准电压。另一路接入到LM1117-5.0，其输出稳定的+5V 电压。-5V 电压由LM2663 产生，供给模拟放大器芯片和模拟器件等工作。

3 系统软件设计

系统的软件设计主要包括终端软件编程和上位机C#设计。

图4 总线拓扑图Fig.4 Bus topology

图5 系统软件流程图Fig.5 System software flow chart

终端软件设计：对终端设备进行系统初始化，处理包括识别控制信号和数据采集等工作。主要实现对模拟前端转换后产生的电压信号进行ADC 采集与数据处理，得到的数据采用中值滤波算法，减少小部分ADC 采集不准确造成的偏差。数据传输由CAN 总线实现，接收以及解析上位机发送的指令，然后按照双方规定好的协议进行相应的操作。软件流程图如图5 所示。

系统初始化主要包括：按键、蜂鸣器、LCD 屏、ADC、EEPROM、USART、CAN、RTC、DSP 等。

图6 图形化展示界面Fig.6 Graphical display interface

处理包括监测供电电压是否过低，过低LCD 提示电量不足。通过功能选择模块选择测量功能，产生控制信号由STM32 识别，进行采集控制。量程模块选择合适的输入电压，进行AD 采集，如果采集值超出报警阈值，进行报警处理，如果未到报警阈值，检测是否符合量程设定值，如果采集的值较小，切换到下一量程进行ADC 采集，直到符合采集范围。采集一定的数据进行软件滤波处理，得到的结果进行LCD 显示。同时终端可以通过人为按键的方式主动数据上传，也可接收上位机命令进行数据存储和数据上传等工作。

上位机软件设计：采用主从查询方式通信。上位机向下位机发查询命令、下位机针对上位机发来的命令作出相应的动作。如果是查询数据命令，将响应数据发送给上位机；如果是查询测量功能命令，则完成查询功能任务。数据上传后显示数据，并将数据保存到数据库，完成数据记录和时间记录；上位机还可查询历史数据，添加历史数据、删除历史数据，实时监测数据等功能，通过折线图的形式直观显示，实现监测、报警等操作。图形化展示界面如图6 所示。