基于CAN總線的流量監(jiān)控系統(tǒng)

劉 娜 / 遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院

基于CAN總線的流量監(jiān)控系統(tǒng)

劉 娜 / 遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院

介紹一種基于CAN總線的流量監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由微機(jī)系統(tǒng)和渦街流量計(jì)構(gòu)成。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為智能流量計(jì)的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控提供了理想的解決方案。

現(xiàn)場(chǎng)總線；渦街流量計(jì)；儀表系數(shù)

0　引言

隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的日益發(fā)展，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)的智能化要求越來(lái)越高。對(duì)流量計(jì)集中監(jiān)控，形成流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，增強(qiáng)系統(tǒng)的開放性、可靠性和通信功能是發(fā)展的必然趨勢(shì)。將單片機(jī)技術(shù)、CAN總線技術(shù)及組態(tài)軟件技術(shù)應(yīng)用于流量測(cè)量系統(tǒng)中，是智能流量計(jì)聯(lián)網(wǎng)的理想解決方案。

本文介紹一種基于CAN總線的流量監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由微機(jī)系統(tǒng)和渦街流量計(jì)構(gòu)成。

以下分別介紹該系統(tǒng)各主要部件的工作原理以及設(shè)計(jì)方案。

1　渦街流量計(jì)工作原理

渦街流量計(jì)的工作原理是，在流體中安放一根（或多根）非流線型發(fā)生體（bluff body），流體兩側(cè)會(huì)交替出現(xiàn)兩串規(guī)則的旋渦。在一定流量范圍內(nèi)，管道內(nèi)的平均流速正比于旋渦分離頻率，通過(guò)測(cè)量旋渦分離頻率便可算出流體的瞬時(shí)流量［1］。

渦街流量計(jì)主要用于測(cè)量工業(yè)管道中的氣體、液體、蒸氣等多種介質(zhì)流量，具有壓力損失小，量程大，校驗(yàn)簡(jiǎn)便，儀表價(jià)格適中等特點(diǎn)，做成標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的總線型儀表，很容易與微機(jī)等數(shù)字系統(tǒng)配套使用，是一種量大面廣型的產(chǎn)品。

根據(jù)采用的旋渦發(fā)生體和渦街頻率檢測(cè)方式分類，渦街流量計(jì)的種類繁多，但基本由傳感器、轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)控制單元三個(gè)主要部分組成。傳感器由旋渦發(fā)生體、頻率檢測(cè)元件和儀表表體構(gòu)成［2］。

測(cè)量采用的對(duì)稱渦街流量傳感器，使用的檢測(cè)元件是壓電傳感。為了測(cè)量流體的流量，對(duì)稱式流量傳感器B安裝在渦街流量計(jì)中旋渦發(fā)生體A的后面，傳感器的軸線與旋渦發(fā)生體平行，整個(gè)傳感器都沉浸在流體中［3］，如圖1所示。轉(zhuǎn)換器部分應(yīng)包括放大電路、濾波電路、電壓放大、限幅整形等部分［3］。

圖1　流量傳感器

2　流量計(jì)單片機(jī)控制部分原理圖

整形后的頻率信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)數(shù)器進(jìn)入單片機(jī)中。單片機(jī)控制單元在流量測(cè)量節(jié)點(diǎn)中起著極其重要的作用，影響流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度。該部分由單片機(jī)、高精度二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、LCD顯示、鍵盤、時(shí)鐘芯片、CAN通信接口、欠壓指示電路、存儲(chǔ)電路等部分組成［4］［5］。流量計(jì)是流量系統(tǒng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，電路圖如圖2所示。

通信部分采用PHILIPS公司的SJA1000CAN控制器以及82C250總線收發(fā)器。82C250可以支持110個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)，另外PHILIPS的產(chǎn)品型號(hào)比較多，購(gòu)買比較方便。

SJA1000是Philips公司生產(chǎn)的CAN控制器，是PCA82C200的后繼產(chǎn)品，在軟件和引腳上均與PCA82C200兼容。它增加了許多新的功能，使得其性能更佳，尤其適用于對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化、診斷和維護(hù)要求比較高的場(chǎng)合［6］。

CAN通信協(xié)議主要是由CAN控制器完成的。SJA1000是適用于汽車和一般工業(yè)環(huán)境控制器局域網(wǎng)（CAN）的高集成度獨(dú)立控制器，具有完成高性能通信協(xié)議所要求的全部必要特性，具有簡(jiǎn)單總線連接的SJA1000可完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能。應(yīng)用層功能可由微控制器完成，SJA1000為其提供了一個(gè)多用途的接口［7］［8］。

PCA82C250第8引腳與地之間的電阻 Rs 稱為斜率電阻。把該引腳直接與地相連，處于高速工作方式；通過(guò)電阻邊地為斜率方式，Rs值上升及下降的斜率，決定通信的速度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，15 ～ 200 kΩ為 Rs 較理想的取值范圍。該情況下，可以使用平行線或雙絞線作總線［9］。

為了進(jìn)一步增強(qiáng)抗干擾能力，在SJA1000與PCA82C250之間，可用高速光電耦合器6N137實(shí)現(xiàn)總線上各CAN節(jié)點(diǎn)間的電平隔離。CAN總線上的終端匹配電阻，一般取值108～132 Ω。

若干個(gè)CAN總線接口的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（渦街流量計(jì)）和微機(jī)（帶有CAN總線適配卡）組成流量監(jiān)控系統(tǒng)，因此軟件設(shè)計(jì)分微機(jī)監(jiān)控程序與流量計(jì)單片機(jī)程序兩部分。

圖2　流量計(jì)硬件原理圖

3　流量計(jì)單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

SJA1000有兩種操作模式basic CAN和peli CAN，通電默認(rèn)為第一種。通電前必須配置好相關(guān)寄存器用于建立通信的硬件連接。

如果通電后在管腳17，CAN控制器得到一個(gè)復(fù)位脈沖，CAN控制器通過(guò)讀取檢測(cè)信號(hào)來(lái)看是否進(jìn)入復(fù)位模式。只有在復(fù)位模式下，才能對(duì)多個(gè)寄存器做初始化編程。

流量計(jì)處理流量信號(hào)的子程序如圖3所示。

4　計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件

CAN是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的總線式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高。微機(jī)中的CAN總線適配卡負(fù)責(zé)與現(xiàn)場(chǎng)的流量計(jì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。由于CAN適配卡提供了總線仲裁、錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)和自動(dòng)重發(fā)等功能，避免了數(shù)據(jù)丟失并保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。本系統(tǒng)采用研華公司生產(chǎn)的PCL-841完成CAN適配卡的功能。在本文中采用了國(guó)產(chǎn)組態(tài)軟件組態(tài)王編寫的微機(jī)監(jiān)控程序［10］。

組態(tài)王中開發(fā)了流量計(jì)主控界面、流量計(jì)顯示界面、流量計(jì)數(shù)據(jù)處理界面、報(bào)警控制臺(tái)界面、曲線顯示界、報(bào)表界、參數(shù)設(shè)置界面等。不同的界面配合相關(guān)的控制，通過(guò)主界面可以調(diào)用不同的界面，對(duì)于操作人員設(shè)置了不同的權(quán)限，

組態(tài)王的主控程序如圖4所示。

圖3　流量計(jì)處理流量信號(hào)子程序

圖4　主控程序框圖

5　結(jié)語(yǔ)

基于CAN總線的流量監(jiān)控系統(tǒng)不僅可保證系統(tǒng)準(zhǔn)確、可靠工作，而且具有通用性、實(shí)時(shí)性以及可擴(kuò)展性等特點(diǎn)，可用于油田注水計(jì)量站中對(duì)水流量的集中監(jiān)控，替代人工計(jì)量方式，及時(shí)、準(zhǔn)確地為油田部門提供注水工程資料。

［1］ 蔡武昌.流量?jī)x表若干發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用進(jìn)展.中國(guó)儀器儀表，2001，25（2）:46-48.

［2］ 劉玉萍，姜川濤，李夢(mèng)蜜等.智能數(shù)字渦街流量計(jì)開發(fā).自動(dòng)化與自動(dòng)化儀表，2012，164（4）:120-121.

［3］ 紀(jì)剛.流量測(cè)量?jī)x表應(yīng)用技巧［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010:189-196.

［4］ 張毅剛主編. 單片機(jī)原理及接口技術(shù)（C51編程）［M］，人民郵電出版社出版，2011:23-27.

［5］ 趙威，馮娜主編，單片機(jī)基礎(chǔ)及應(yīng)用［M］，北京:清華大學(xué)出版社出版，2009:20-28.

［6］ 牛躍聽.CAN總線嵌入式開發(fā)--從入門到實(shí)踐［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2012:41-49.

［7］ 張培仁、杜洪亮.CAN現(xiàn)場(chǎng)總線監(jiān)控系統(tǒng)原理和應(yīng)用設(shè)計(jì)［M］.合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2011:132-136.

［8］ 郭瓊.現(xiàn)場(chǎng)總線及其應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011:120-128.

［9］ 唐濟(jì)揚(yáng).現(xiàn)場(chǎng)總線與工廠底層自動(dòng)化及信息集成技術(shù)，中國(guó)工控參賽論文，北京，2004:3-4.

［10］ 蘇靜明，洪炎.基于PLC和組態(tài)王的節(jié)能控制站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究.工礦自動(dòng)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