本文介绍了CAN总线应用于皮带秤控制器的可行性和优越性,以及由于CAN总线所具有的优点,被应用于其它领域的情况。着重说明了皮带秤控制系统的称重原理、测量工作原理和皮带秤控制器的硬件电路设计.皮带秤控制系统的称重原理主要包括瞬时流量和累计流量的计算方法.然后,阐述了CAN总线通信在皮带秤网络的应用原理,讨论了CAN总线在其中的工作状况、设计时需要注意的事项以及遇到的一些问题及解决方法等.　　

单台皮带秤[1]可以作为简单的称重仪器.由多台皮带秤联网组成的配料控制系统[2]可应用于自动化生产过程[3].而各皮带秤之间、电子皮带秤和监控主机之间的通信成为至关重要的一环.本文对皮带秤所用到的三种通信接口——RS232接口、—RS485接口和CAN现场总线接口进行比较.其中,RS232接口波特率低,通信距离近,只能用于短距离与监控主机之间的通信.RS485接口和CAN总线接口通信速度比RS232快,传输距离远,连接简单,可用于长距离与监控主机之间的通信,但成本要高一点.CAN总线接口比RS485接口在成本上略高些,但CAN总线接口采用CRC校验和其他错误检测措施,并具有自动重发功能,与RS485接口相比,增加了传输的可靠性.在干扰严重的工作环境下,采用CAN总线接口是很有必要的.CAN总线接口采用多主站总线结构,各总线节点可主动向监控主机传送数据,与RS485接口的呼叫-应答式的数据传送方式相比,更具灵活性.CAN总线采用非破坏性总线仲裁技术,不会因为总线竞争而损坏器件;而RS485接口器件有一个接收使能端,一个发送使能端,必须严格控制收发,避免因为总线竞争损坏器件.CAN总线控制器完成大部分通信处理,与RS485接口相比,减轻了MCU负担,也使编制软件变得容易[4].由以上比较可以看出,CAN总线应用于皮带秤控制器是可行的,对提高皮带秤的通信能力和组网是有利的.如今,CAN总线作为一种比较流行的现场总线,其应用涉及许多领域,典型的应用有汽车、公共交通、机器人控制、液压传动装置、传感器技术、电梯控制、电力系统控制、医疗设备、火灾预警、配料系统[2]等.CAN协议已被国际标准化组织所承认,这将进一步促进CAN总线在各种测控领域中的应用[5].

1　皮带秤控制器工作原理及称重原理

皮带秤控制器是一种动态工业称重仪表,其结构如图1所示,其中从称重托辊和左边运行托辊的中点到称重托辊和右边运行托辊的中点的距离称为有效称量段[1],这段皮带上的物料作用在称重传感器上,称重传感器将被测重力转换成相应的模拟电压信号,经测量放大器放大后,由A/D转换器转换成数字量.与此同时,速度传感器产生的速度信号在进行放大、整形后得到计数脉冲.两种信号都送到单片机进行处理,最后数字显示其测量值[7].皮带秤显示累计称重仪表的原理框图如图2所示.

再乘以50,就得到0102s时间间隔内的瞬时流量,单位:kg/h.因为皮带称量段上的物料量分布不均匀和皮带速度的变化[8],所以本系统先计算出每0102s的时间间隔内的瞬时流量

式中:ad—加载时A/D转换器的数据量;ad0—空载时,定时为皮带秤运行整数圈时间,A/D转换器输出的平均值(定时不足3min检测后应该归算到3min)[1];

对速度的测试时间间隔为1s,即每隔1s计算一次速度值,单位:m/s;对质量的测试为50次/s,单位kg/m;质量乘以速度,乘以3600,

adfs—最大加载时A/D转换器的数据量;Qfs—满度瞬时流量值,kg/h;P—加载时1s内的速度脉冲数;Pfs—s内的满度速度脉冲数;1Q(n)—瞬时输送量,kg/h.

接着,把瞬时流量对时间进行积分[9],得到累积流量G[3],kg,其数值算法公式为

2　皮带秤控制器硬件电路设计

1)皮带秤控制系统部分

皮带秤控制器设计采用LTC1052斩波运放和LT1028低噪声运放构成的低噪声低漂移放大器、AD7730模数转换器、集成两路CAN总线控制器(支持CAN210B协议)的LPC2129单片16/32位ARM微控制器、MAX7219显示驱动器、82C250收发器和6N137高速光耦(最高速度10Mbps)等器件.本系统实现A/D转换,D/A转换,数据处理和显示,控制信号输出和CAN总线通信.[page]

2)CAN232接口卡部分

PC机连接CAN总线的接口卡采用了AT89C51单片机、SJA1000称重控制器(支持CAN210A协议和CAN210B协议)、82C250收发器、6N137高速光耦和RS232接口器件等器件.为了缩小电路板尺寸,以后有可能采用集成了CAN总线控制器的单片机T89C51CC01或P8X592.

3　CAN总线配合皮带秤工作原理 　

　CAN总线为各皮带秤之间、皮带秤和监控主机之间的通信建立了通道.使用CAN总线的皮带秤配料系统的网络结构如图3所示.
 

　　 监控主机给电子皮带秤发送数据的过程:监控主机通过串口给接口卡上的单片机发送数据.单片 机接收完数据后,控制CAN总线控制器把数据成功发送到CAN总线上.CAN总线控制器收到接口卡上的单片机传达的发送数据的命令后,自动完成一帧报文的填充、编码、发送,并有总线仲裁和重发功能.电子皮带秤控制器的CAN总线控制器不需软件干预,可自动完成报文滤波(标识场比较)功能,仅在符合时才进行报文接收,并能在一帧报文接收完成后产生中断通知皮带秤控制系统的单片机进行处理.电子皮带秤上的单片机对从CAN总线上接收到的数据的意义进行识别并执行相应操作.皮带秤给监控主机发送数据的过程与上面所述相似.

4　注意事项及遇到的问题

采用光耦隔离,可以使皮带秤系统在受到干扰的情况下不致彻底瘫痪,并能给出故障报警.当单片机与CAN总线控制器分离时,为了CAN控制器与单片机之间时序的同步,一般采用CAN控制器给单片机提供时钟信号.总线两端各有一个120Ω的电阻,对于匹配总线阻抗起着相当重要的作用;否则,数据通信的抗干扰性及可靠性大大降低,甚至无法通信.对于SJA1000控制器的使用,需要注意的是:当SJA1000外接收发器,比如82C250时,如果置位CDR的CBP位,输入比较器被忽略,这样可以减少内部延时,总线长度最大可能值增加,此时只有RX0是激活的,RX1接固定电平(一般接地);如果不置位CDR的CBP位,而RX1接地的话,SJA1000不能正常工作.如果信号直接从物理的CAN总线输入到SJA1000的输入比较器,CDR的CBP位应该为零,此时,显性电平将会唤醒SJA1000的睡眠模式.如果RX1比RX0的电平高就读显性电平,反之读隐性电平.对ACR和AMR的设置是要界定对什么样的报文予以接收,因此称它们为验收滤波器,当满足以下两个条件之一,且有空的接收缓冲器时,完整报文可被正确接收.条件之一:ACR与报文标识符的高8位在AMR为“0”的那些位(即相关位)上对应相等.条件之二:AMR=0xFF,即ACR的所有位均为不相关(或屏蔽)位[4].

5　结论

实验显示,CAN总线通信非常适合在包括皮带秤控制器这样的仪器仪表的组网中使用,其优点得到充分体现,运行稳定,通信可靠,速度快.大部分的功能都由硬件实现,使得软件编制相对简单.将来,在单片机内部集成CAN总线控制器是一种趋势,这样会使电路设计变得简单,缩小电路板空间,降低产品价格,缩短开发时间,这时CAN总线会像RS232接口一样得到广泛的应用,却具有串口无法比拟的优点.CAN总线技术正在日趋成熟,在国内的应用比较多,在将来一定会得到进一步的推广.

参考文献:

[1]施昌彦.测力称重计量的某些发展动向[J].现代计量测试,1994(6):2-4.

[2]贾玉龙,刘长有.集散自动配料监控系统的开发[J].沈阳工业大学学报,2002,24(3):237-239.

[3]徐桂荣,邵大川,王湘明.燃煤分炉计量系统的设计[J].沈阳工业大学学报,1994,16(1):76-81.

[4]雷霖.现场总线控制网络技术[J].北京:电子工业出版社,2004.

[5]邬宽明.现场总线技术应用选编①(上)[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.

[6]魏鲁原,伍斌,崔霞.动态称重系统的设计[J].自动化仪表,2002,23(8):34-37.

[7]严荣涛.国产微机皮带秤的现状和发展[J].中国电力,1995(1):28-32.

[8]宋寿祥.自动称重装置模型的研究[J].重庆建筑工程学院学报,1994,16(4):35-39.

[9]赵滨辉,王立华,谷晓玲.ICS2ST4型智能动态皮带称重系统中儿个问题的解决[J].电测与仪表,1999(责任编辑:吉海涛　英文审校:王溪波)

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