冗余CAN总线远程数据采集系统设计与研究

　1 引 言

　　随着计算机应用技术在工业控制领域的推广及其自身的革新，以工业现场总线为应用背景的网络控制系统在业界被广泛使用和推广。CAN总线作为工业现场串行总线的一种，因其具有较高的位速率和极高的抗电磁干扰能力，能侦测和处理产生的任何总线错误，并且具有高可靠性、实时性和灵活性，在监测和控制系统中倍受青睐。然而传统的工业现场远程数据采集系统主要通过单总线传输，往往因为总线通讯故障而影响系统工作效率，不利于远程监测和控制，在某些控制领域里甚至存在很大危险，造成难以维护，系统监测数据不连续、难以管理和监测效率低下等缺点。

　　通过将冗余CAN总线技术应用到现场远程数据采集传输系统中，采用嵌入式控制方式很好地解决了上述问题。

　　2 远程数据采集系统的组成

　　考虑到工业现场的环境比较复杂，为提高系统工作的可靠性和抗干扰能力，本系统设计采用嵌入式智能系统作为数据采集器，以PC104系统作为嵌人式信息处理单元，通过冗余CAN总线接口开放式互联的结构组成采集系统。系统的组成框图如图l所示。系统由信息处理单元、远程嵌人式采集器、状态显示、外围控制和维护接口等辅助接口单元组成，嵌人式信息处理单元和远程数据采集器配置双CAN总线接口。

　　嵌入式信息处理单元是该系统的主控单元，是系统信息处理的核心。它主要负责信息的采集和管理，并将采集信息处理后定期送往数据存储单元和数据显示单元，同时解析来自维护接口的用户指令，根据指令要求执行相应的采集器维护命令和主控单元本身的日常维护。远程数据采集器周期接收信息处理的采集指令，周期性地将采集数据发给信息处理。系统通过高速网络接口实现了与其他网络进行数据交换，可实现监控数据的共享和信息综合。维护接口可提供无线指令响应服务和现场指令响应服务，以满足本地和远程的系统维护。

图1 系统组成示意图

　　3 远程数据采集系统的实现

　　本系统的硬件设计重点在于信息处理单元和远程数据采集器的设计。

　　3．1 信息处理单元设计

　　远程数据采集系统实现的关键是对现场传感器数据的实时采集、本地和远程命令的接收与采集信息的转换和处理。信息处理单元对数据采集器进行正常的运行监视、操作、测量记录和统计分析、故障运行的监视、报警和事件顺序记录与运行操作，紧急控制、维修状态信息处理等功能。

　　信息处理单元采用x86架构的PC104计算机系统和CAN总线接口卡组成。盛博SCM一7020B是一款“all～in—one”PC／104 CPU模块¨ ，它在板上集成了10／100Base—T以太网接口及高性能图形处理。采用X86兼容的64位第六代处理器，最高运行速度可达300MHz，外围接口丰富，同时配置64MB SRAM和1GB CF卡存储器，并通过以太网接口进行软件调试和后期维护。为了实现双CAN总线通讯接口，选用盛博SEM／CSD一4 CAN通讯模块，该模块集成了2路独立的CAN控制器SJA1000，同时还集成4路RS一422串行接口及可配置的8位并行接口，可以直接驱动外部的数字接口，满足系统维护和远程数据采集器工作模式设置的需求，对后续系统升级都留有较大空间。

　　3．2 远程数据采集器设计

　　远程数据采集器设计为以C805 1 F040 3 为处理器的智能采集通讯节点，C8051F040内部集成了数据采集系统所需要的几乎所有模拟和数字外设，包括ADC、DAC、电压比较器、定时器、以及CAN2．0B控制器等，这种高度集成为设计小体积、低功耗、高可靠和高性能的采集系统统提供了方便。系统中远程数据采集器的硬件结构示意图见图2。远程数据采集器从功能上可分为冗余CAN总线接口、数据采集电路和看门狗超时电路，其中看门狗超时周期为1．6s。为实现冗余CAN总线接口，通过增加一片独立的CAN控制器SJA1000来实现。

图2 远程数据采集器硬件结构示意图

　　3．2．1 采集电路设计

　　采集电路结构如图3所示，外部模拟信号进入采集器后，先经低通滤波，对各种干扰信号进行一定的抑制后，送入放大器，再进入带有l2位ADC的C8051F040进行数据采样和增益转换。

图3 远程数据采集器不意图

　　在实际的工程应用中，由于被采集信号远离采集器，以致两者的地电位存在一定的电势差，不可避免地存在干扰和传输网络阻抗不对称引人的误差。因此。测量电路必须选择有较高的输入阻抗和共模抑制比的集成运放，同时可采用差动输入方式和无限增益电压负反馈放大。