1 引 言
隨著計算機應用技術在工業(yè)控制領域的推廣及其自身的革新，以工業(yè)現(xiàn)場總線為應用背景的網絡控制系統(tǒng)在業(yè)界被廣泛使用和推廣。CAN總線作為工業(yè)現(xiàn)場串行總線的一種，因其具有較高的位速率和極高的抗電磁干擾能力，能偵測和處理產生的任何總線錯誤，并且具有高可靠性、實時性和靈活性，在監(jiān)測和控制系統(tǒng)中倍受青睞。然而傳統(tǒng)的工業(yè)現(xiàn)場遠程數據采集系統(tǒng)主要通過單總線傳輸，往往因為總線通訊故障而影響系統(tǒng)工作效率，不利于遠程監(jiān)測和控制，在某些控制領域里甚至存在很大危險，造成難以維護，系統(tǒng)監(jiān)測數據不連續(xù)、難以管理和監(jiān)測效率低下等缺點。
通過將冗余CAN總線技術應用到現(xiàn)場遠程數據采集傳輸系統(tǒng)中，采用嵌入式控制方式很好地解決了上述問題。
2 遠程數據采集系統(tǒng)的組成
考慮到工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境比較復雜，為提高系統(tǒng)工作的可靠性和抗干擾能力，本系統(tǒng)設計采用嵌入式智能系統(tǒng)作為數據采集器，以PC104系統(tǒng)作為嵌人式信息處理單元，通過冗余CAN總線接口開放式互聯(lián)的結構組成采集系統(tǒng)。系統(tǒng)的組成框圖如圖l所示。系統(tǒng)由信息處理單元、遠程嵌人式采集器、狀態(tài)顯示、外圍控制和維護接口等輔助接口單元組成，嵌人式信息處理單元和遠程數據采集器配置雙CAN總線接口。
嵌入式信息處理單元是該系統(tǒng)的主控單元，是系統(tǒng)信息處理的核心。它主要負責信息的采集和管理，并將采集信息處理后定期送往數據存儲單元和數據顯示單元，同時解析來自維護接口的用戶指令，根據指令要求執(zhí)行相應的采集器維護命令和主控單元本身的日常維護。遠程數據采集器周期接收信息處理的采集指令，周期性地將采集數據發(fā)給信息處理。系統(tǒng)通過高速網絡接口實現(xiàn)了與其他網絡進行數據交換，可實現(xiàn)監(jiān)控數據的共享和信息綜合。維護接口可提供無線指令響應服務和現(xiàn)場指令響應服務，以滿足本地和遠程的系統(tǒng)維護。
圖1 系統(tǒng)組成示意圖
3 遠程數據采集系統(tǒng)的實現(xiàn)
本系統(tǒng)的硬件設計重點在于信息處理單元和遠程數據采集器的設計。
3．1 信息處理單元設計
遠程數據采集系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵是對現(xiàn)場傳感器數據的實時采集、本地和遠程命令的接收與采集信息的轉換和處理。信息處理單元對數據采集器進行正常的運行監(jiān)視、操作、測量記錄和統(tǒng)計分析、故障運行的監(jiān)視、報警和事件順序記錄與運行操作，緊急控制、維修狀態(tài)信息處理等功能。
信息處理單元采用x86架構的PC104計算機系統(tǒng)和CAN總線接口卡組成。盛博SCM一7020B是一款“all～in—one”PC／104 CPU模塊¨ ，它在板上集成了10／100Base—T以太網接口及高性能圖形處理。采用X86兼容的64位第六代處理器，最高運行速度可達300MHz，外圍接口豐富，同時配置64MB SRAM和1GB CF卡存儲器，并通過以太網接口進行軟件調試和后期維護。為了實現(xiàn)雙CAN總線通訊接口，選用盛博SEM／CSD一4 CAN通訊模塊，該模塊集成了2路獨立的CAN控制器SJA1000，同時還集成4路RS一422串行接口及可配置的8位并行接口，可以直接驅動外部的數字接口，滿足系統(tǒng)維護和遠程數據采集器工作模式設置的需求，對后續(xù)系統(tǒng)升級都留有較大空間。
3．2 遠程數據采集器設計
遠程數據采集器設計為以C805 1 F040 3 為處理器的智能采集通訊節(jié)點，C8051F040內部集成了數據采集系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數字外設，包括ADC、DAC、電壓比較器、定時器、以及CAN2．0B控制器等，這種高度集成為設計小體積、低功耗、高可靠和高性能的采集系統(tǒng)統(tǒng)提供了方便。系統(tǒng)中遠程數據采集器的硬件結構示意圖見圖2。遠程數據采集器從功能上可分為冗余CAN總線接口、數據采集電路和看門狗超時電路，其中看門狗超時周期為1．6s。為實現(xiàn)冗余CAN總線接口，通過增加一片獨立的CAN控制器SJA1000來實現(xiàn)。
圖2 遠程數據采集器硬件結構示意圖
3．2．1 采集電路設計
采集電路結構如圖3所示，外部模擬信號進入采集器后，先經低通濾波，對各種干擾信號進行一定的抑制后，送入放大器，再進入帶有l(wèi)2位ADC的C8051F040進行數據采樣和增益轉換。
圖3 遠程數據采集器不意圖
在實際的工程應用中，由于被采集信號遠離采集器，以致兩者的地電位存在一定的電勢差，不可避免地存在干擾和傳輸網絡阻抗不對稱引人的誤差。因此。測量電路必須選擇有較高的輸入阻抗和共模抑制比的集成運放，同時可采用差動輸入方式和無限增益電壓負反饋放大。
3．2．2 冗余CAN總線接口設計
由于系統(tǒng)采用了冗余CAN總線通訊技術，因此冗余CAN總線接口設計是本系統(tǒng)的關鍵技術。
在各個數據采集器和信息處理單元之間設計兩條CAN總線，在每個數據采集器中有2路獨立的CAN通道，正常工作時只有一路CAN通道和一路CAN總線運行。遠程數據采集器的冗余CAN總線結構如圖2所示。系統(tǒng)中冗余CAN總線的基本設計思路如下：其中CAN控制器可以是獨立的CAN控制器或者內嵌于MCU內部的CAN控制器。當出現(xiàn)總線通訊故障時，根據錯誤類型選擇切換到另一路CAN通道或是另一路CAN總線。在任意時刻，只有一路CAN通道處于工作狀態(tài)。
3．3 雙冗余CAN總線管理
為了提高系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)中兩套總線采用熱備份方式運行。按照CAN總線出現(xiàn)的錯誤類型，系統(tǒng)通訊故障可分為通道通訊故障和總線通訊故障，處理器利用CAN總線控制器的故障界定狀態(tài)機制判斷通訊故障，并向處理器發(fā)送故障狀態(tài)。
在總線正常通訊過程中，處理器對CAN總線控制器的接收和發(fā)送錯誤計數器進行實時跟蹤監(jiān)控，一旦發(fā)送和接收出現(xiàn)故障，其錯誤類型及出錯的各結點被賦予不同的計數值，這些計數值將根據是發(fā)送錯誤還是接收錯誤進行累加?？偩€通訊正?；蛴行Ы邮占鞍l(fā)送數據時，這些計數器將逐次遞減至最小值0。
當發(fā)送錯誤計數器的值超過最大上限255時“總線關閉”。CAN控制器進入離線狀態(tài)，CAN總線控制器產生一個總線錯誤和離線中斷，處理器在收到中斷信號的同時檢測狀態(tài)位得知系統(tǒng)出現(xiàn)通道通訊故障，通過“通道切換邏輯機制”切換CAN通訊通道，同時清除中斷信號。當切換完成后，如果再次進入錯誤中斷，則說明是總線故障，此時處理器再切換回以前的CAN通訊通道，并通過“總線切換邏輯機制”切換CAN通訊總線，同時清除中斷信號。采用這種設計方法，當兩路CAN通道或兩路CAN總線同時出現(xiàn)故障時，通訊節(jié)點“總線關閉”并退出總線通訊，此時不會影響其他節(jié)點的正常通訊。
4 軟件設計
根據系統(tǒng)功能定義，軟件設計分為兩部分，一是信息處理單元內部的軟件，二是遠程數據采集器內部的軟件。為了提高系統(tǒng)的可靠性和實時性，信息處理單元配置了Vxworks實時操作系統(tǒng) l，vxworks支持實時多任務系統(tǒng)，具有高實時性、高傳輸速率、高可靠性的特點，完全適合系統(tǒng)上各單元間的大數據量實時傳輸。
4．1 信息處理單元系統(tǒng)軟件設計
信息處理單元的軟件層次組成見圖4。整個軟件分為兩個層次：系統(tǒng)任務層和系統(tǒng)服務層。系統(tǒng)任務層是信息處理單元的核心，其中包括數據采集任務、通訊狀態(tài)監(jiān)控任務、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控任務、系統(tǒng)維護任務及系統(tǒng)故障處理、緊急狀況處理任務等。
系統(tǒng)服務層為VxWorks操作系統(tǒng)和一些系統(tǒng)接口、服務組成、服務層封裝了VxWorks操作系統(tǒng)、CAN總線設備通訊驅動程序、CAN總線冗余管理模塊、數據分區(qū)管理模塊和系統(tǒng)軟件接口及系統(tǒng)服務，同時為系統(tǒng)任務訪問硬件設備提供平臺。
圖4 信息處理單兀的軟件層次組成示意圖
4．2 遠程數據采集器軟件設計
遠程數據采集器軟件包含CAN總線接口管理、外部傳感器信號采集和轉換、中斷服務程序、響應信息處理單元系統(tǒng)指令和采集器自診斷功能。
遠程數據采集器是整個采集系統(tǒng)中要求可靠性較高的單元．除了硬件上增加了看門狗功能、高性能采集電路和雙CAN總線接口外，軟件設計也必須考慮其可靠性和穩(wěn)定性要求。因此軟件設計上需要重點考慮以下幾個方面：
(1)軟件校準ADC。為了提高ADC采集精度和數據可靠度，需要通過軟硬件相結合的方式對ADC進行校準。校準包括零點漂移及增益誤差的自校準和采集誤差修正，在設計中采用分段線性插值的方法對測量數據通過軟件進行非線性校正_6]，并將補償和校準參數存儲在片內FLASH中；(2)看門狗超時監(jiān)控處理。為了提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，軟件在50ms周期內喂一次看門狗，若看門狗超時則采集器復位；(3)軟件數字濾波處理。為了防止外部干擾信號引起采集到的數據產生突變，導致錯誤報警，現(xiàn)場數據采集節(jié)點發(fā)送數據之前對數據進行數字濾波。
數字濾波分兩部分完成，一是外部信號在10ms內發(fā)生急脯突變的概率較小，采集器在10ms的單位時間內監(jiān)測和統(tǒng)計信號的變化率，根據事先設定的門限值在數據轉換前端剔除虛警數據。二是采集器在lOOms內對相應的采樣信號進行l(wèi)O次采集取其平均值 ，這種算術平均值濾波方法比中值濾波可靠性更高，又比防脈沖干擾平均值濾波簡便，可以有效降低對瞬間高頻干擾信號的虛警率。
5 結束語
基于冗余CAN總線設計的數據采集系統(tǒng)在實際應用中得到了驗證，整個系統(tǒng)在惡劣的工作環(huán)境下性能穩(wěn)定，通訊能力令人滿意。采集器在正常運行時陜速地對遠程請求做出響應，工作方式多樣，參數修改靈活方便，能遠程維護管理，可應用于構建網絡化管理系統(tǒng)的環(huán)境。
利用冗余CAN總線通訊技術，有效解決了單線傳輸故障，提高了可系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。測試證明，在總線或通道處注入故障時，冗余CAN總線能順利進行切換，并保障通訊正常；在對兩條總線或兩路CAN通道同時注入故障時，數據采集器自動脫離總線，系統(tǒng)其他單元間的通訊不受影響。實驗結果表明，上述設計思想完全可行，能夠滿足大型現(xiàn)場采集和控制需求。
采用嵌入式模式開發(fā)設計，具有精度高、運行穩(wěn)定、實時性好、抗干擾能力強和性價比高的特點，可以在各種遠程監(jiān)測領域廣泛應用。