基于CAN總線的數據采集人機界面設計
摘 要：本文利用CAN總線技術構成網絡，運用VB語言設計出了可視性較強的數據采集人機界面，實現了智能表數據（包括模擬量數據和開關量數據）的采集和超限報警功能。
關鍵詞：CAN總線、人機界面、VB
Abstract：The thesis introduced the design of the Date Acquisition Human-computer Interface using VB based on CAN Bus. It realized the function that intelligence meter read the analog and digital value, and alarmed when the value went beyond the limit.
Key Words：CAN Bus、Human-computer Interface、VB
0 引言
目前在鐵路機車內，模擬表盤大量存在，它給鐵路運輸的安全管理造成了相當大的不便。使用模擬表盤有以下缺點：第一，沒有數據存儲功能，如果發生事故，就很難得到事故發生時的確切信息;第二，需要大量布線、安裝不便。如果在原模擬系統中添加設備，則需要重新布線;第三，不能利用成熟的基于數字信號的現代信息處理技術。對火車機車監控系統而言，數據測量和傳輸的快速性、準確性、可靠性、存儲性、通訊的靈活性都是至關重要的。有必要將機車內的模擬表數字化和智能化，在此基礎上利用現場總線技術構成測控網絡，完成對機車內重要數據及時的采集、傳輸、存儲、顯示、報警。
本鐵路機車數據平臺采用了CAN總線技術。選用CAN總線是基于可靠性方面的考慮。CAN總線最初廣泛用在汽車內部的電子監控上。由于火花塞產生的高頻干擾和發動機產生的機械震動都比較強，而CAN總線能在這種工作中可靠的工作，說明其具有很強的抗干擾能力。該機車數據平臺中的智能模塊采用了89C51單片機，其通訊部分使用了CAN控制器SJA1000。CAN總線通信控制器中集成了CAN協議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括零位的插入和刪除、數據塊編碼、循環冗余檢驗、優先級判別等項工作。CAN協議的一個特點是廢除了傳統的棧地址編碼，而代之以對通信數據塊進行編碼。采用這種方法的優點是可使網絡內的節點個數理論上不受限制，數據塊的標識碼可由11位（按CAN技術規范2.0A）或29位（按CAN技術規范2.0B）二進制數組成，因此可以定義2的11次方或2的29次方個不同的數據塊。這種按數據塊編碼的方式，還可使不同的節點同時接收到相同的數據，這一點在分布式控制系統中非常有用。數據段長度最多為8個字節，可滿足通常工業領域中控制命令、工作狀態及測試數據傳送的一般要求。同時，8個字節不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。CAN協議采用CRC效驗并可提供相應的錯誤處理和重發功能，保證了數據通信的可靠性。
1 機車數據平臺使用說明
1.1原理
機車數據平臺實際上是一臺分布式計算機數據采集系統，其中采用了先進的現場總線技術。機車數據平臺是將微處理器置入傳統的測量控制儀表，使他們各自都具有了數字計算和數據通訊能力（智能儀表），采用可進行簡單連接的雙絞線等作總線，把多個測量儀表連接成網絡，并按公開、規范的通訊協議（CAN總線協議），在現場儀表和遠程計算機之間，實現數據傳輸和信息交換。簡而言之，它把單個分散的測量設備變成網絡節點，已現場總線為紐帶，把他們聯系起來，共同完成自控任務的網絡系統與控制系統。現場總線使自控系統與設備有了通訊能力，把它們連成網絡系統，加入到信息網絡的行列。
本機車數據平臺采用CAN總線技術。CAN是控制局域網絡（Control Area Network）的簡稱，最早由德國BOSCH公司推出，用于汽車內部測量與執行部件間的數據通訊。眾所周知，現代汽車越來越多的采用電子控制裝置。由于這些控制須檢測及交換大量的數據，采用硬接信號線的方式不但煩瑣、昂貴，而且難以解決問題，采用CAN總線上述問題得到了很好的解決。由于CAN總線本身的特點，其應用范圍已不在局限于汽車工業，而向過程工業、機械工業、紡織工業、農用機械、機器人、數控機床、醫療器械及傳感器領域發展。
1.2功能
1每秒一次采集各智能表的數據和各開關量的狀態。智能表包括電壓表、電流表、壓力表和速度表等;開關量包括繼電器接觸器按鈕的通斷、信號燈的明滅、各種開關和接點的閉合等。
2設定各智能表的上報警限、下報警限和偏差報警限，并在各智能表超出報警限時發出報警信息。
1.3性能指標
1可容納54個智能表和8塊開關量采集卡（每塊16個開關量）。
2智能表輸入有隔離，隔離電壓5000伏;開關量輸入也有隔離，隔離電壓1500伏。
3智能表接受75mv、10v和110v交直流輸入（按用戶要求）。
4智能表測量精度2%。
5電源：輸入：70——130V直流/150W
輸出：5V/8A 24V/4A
1.4智能儀表功能
1保留了原指針模擬表的功能，即接受一個模擬量輸入，并用指針顯示該模擬量的數值，包括電壓、電流、轉速、溫度和壓力等。
2把輸入的模擬量轉化為相應的數字量，隔離后通過CAN總線發送給數據采集站，發送的數據中包括報警（上超限、下超限，偏差超限）信息。
3接受來自監控報警器的設定信息，包括上超限設定、下超限設定，偏差超限設定。
1.5開關量采集卡的功能、協議與設定
116路獨立的光電隔離開關量輸入。
2用來檢測開關、繼電器和電磁閥等的通斷，指示燈的明滅。
3每秒鐘一次將16路開關量狀態讀入，而后通過CAN總線發送給數據采集站。
系統能容納8塊開關量采集卡，總共能檢測到16＊8=128個開關量狀態。每塊采集卡需要設定一個獨一無二的ID號，范圍限定在55到62。ID號通過開關量采集卡上的跳線ID設定。ID號按二進制編碼，跳線短接為0，反之為1。
1.6監控報警器的功能、校準智能表以及報警限的設定
1.6.1功能
1設定智能表上超限、下超限和偏差超限的量值，并將這些量通過CAN總線發送給智能表和數據采集站。
2校準智能表。
3接受來自數據采集站的報警信息，并顯示報警信息和通過繼電器觸電輸出報警信息。
1.6.2校準智能表
1壓校準鍵，使進入校準狀態。自動顯示接受到的01號智能表的數值（中間值，滿量程=1000）。
2壓切換鍵，而后用鍵盤輸入要校準的智能表的ID號，壓確認鍵，則顯示該智能表的中間值。
3將該表與用標準表實際測量到的值比較，確定誤差。
4調節智能表電路板上的電位器VR2消除誤差。
1.6.3報警限的設定
1在校準狀態下壓切換鍵，而后輸入要設定的智能表的ID號，壓確定鍵后，則顯示該智能表的中間值。
2壓切換鍵，再壓切換鍵，則光標切換到第二行，第二行顯示的數值為存儲的上超限值。
3修改上超限值，而后壓確認鍵，則修改后的上超限值被存儲并通過總線發送給智能表和數據采集站。
4壓切換鍵，將光標切換到第三行，第三行顯示的數值為存儲的下超限值。
5修改下超限值，而后壓確認鍵，則修改后的下超限值被存儲并通過總線發送給智能表和數據采集站。
6壓切換鍵，將光標切換到第四行，第四行顯示的數值為存儲的偏差超限值。
7修改偏差超限值，而后壓確認鍵，則修改后的偏差超限值被存儲并通過總線發送給只能表和數據采集站。
2界面說明及流程圖
我們這里用五塊智能表和一組開關量來說明本課題的主要功能：
1每秒一次采集各智能表的數據和各開關量的狀態。智能表包括電壓表、電流表和壓力表等。
2設定各智能表的上報警限、下報警限和偏差報警限，并在各智能表超出報警限時發出報警信息。
流程圖如圖1所示：
圖1 數據采集界面總流程圖
在這里，將模擬量進行如表1設置：
表1模擬量設置
數據采集界面運行圖如圖2所示：
圖2 數據采集界面
由圖2看出，模擬量數據轉換為數字量數據已經相當精確;1#、2#、5#數據均在下限～上限之間，均正常運行;11#、13#分別超過上限、低于下限，均發出報警警告。
3 結束語
利用CAN總線技術構成網絡，利用VB語言設計數據采集人機界面，實現了顯示智能表讀數、開關量數據并在超限時報警的功能。運行（采集模塊6個）后表明，性能穩定，采集數據的波動幅度小于1%，數據準確性令人滿意，充分體現了CAN總線的優越性。
CAN總線數據采集人機界面不僅可以應用在鐵路系統中，也廣泛應用在其它場合。目前筆者正在開發機房電源監測系統，通過CAN總線數據采集，監測人員可以遠離現場而得到需要的數據。總之，機車數據平臺人機界面的開發，為其它監測系統的應用奠定了基礎。
參考文獻：
[1]現場總線技術及基本應用. 陽憲惠. 清華大學出版社. 1999
[2]現場總線與控制系統. 趙天洪. 電力系統自動化，24（13），2000
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[4]Bosch.CAN specification,Version2.0. 1991. Robert Bosch GmbH
