怎樣設(shè)計(jì)一個(gè)基于CAN總線的分布式安全檢測(cè)控制系統(tǒng)？

1、引言

隨著自動(dòng)控制技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的不斷發(fā)展和深化，網(wǎng)絡(luò)化、集成化和互操作已成為現(xiàn)代控制系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。在眾多的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)中，德國(guó)Bosch公司提出的CAN總線（Controller Area Network）是從80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制于測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。

本文介紹了利用紅外傳感器無(wú)接觸檢測(cè)，結(jié)合單片機(jī)技術(shù)、CAN總線技術(shù)，將現(xiàn)場(chǎng)存在的傳感器、電子控制單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接起來(lái)組成分布式控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了分布式安全保護(hù)檢測(cè)控制。有效地保證了工作人員人身安全和生產(chǎn)的正常進(jìn)行。該系統(tǒng)可用于危險(xiǎn)場(chǎng)所、區(qū)域安全防護(hù)，機(jī)械加工、紡織、食品加工等安全保護(hù)以及家庭等防盜報(bào)警，有較廣泛的應(yīng)用前景。

2、系統(tǒng)組成及原理

由于紅外線通過(guò)云霧等充滿懸浮粒子的物體時(shí)不易發(fā)生散射、有較強(qiáng)的穿透能力和抗干擾能力，且紅外線遙控不易引起串干擾，因而被廣泛應(yīng)用于遙控裝置。本系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)部分使用紅外傳感主動(dòng)式發(fā)射/接收設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。紅外檢測(cè)裝置安裝在檢測(cè)控制區(qū)，當(dāng)無(wú)人進(jìn)入檢測(cè)區(qū)時(shí)，接收管無(wú)信號(hào)輸出。反之，接收管輸出信號(hào)，通過(guò)解調(diào)、放大、比較處理后產(chǎn)生TTL高電平信號(hào)送入單片機(jī)，利用單片機(jī)編程技術(shù)控制實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音警示或控制現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行設(shè)備動(dòng)作。CAN總線由于其較強(qiáng)的抗干擾能力、通訊中沒(méi)有地址的概念以及節(jié)點(diǎn)數(shù)不受限制等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于汽車、數(shù)控機(jī)床、儀器儀表、現(xiàn)場(chǎng)總線控制等領(lǐng)域［2］。本系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)控制CAN總線控制器構(gòu)成CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這樣，多個(gè)檢測(cè)裝置構(gòu)成了總線通信系統(tǒng)，方便實(shí)現(xiàn)多區(qū)域檢測(cè)控制狀態(tài)顯示。降低了系統(tǒng)在材料、安裝、維護(hù)等費(fèi)用上的損耗，減小了布線復(fù)雜度。

分布式安全檢測(cè)系統(tǒng)主要由直流電源、信號(hào)檢測(cè)電路、信號(hào)處理電路、單片機(jī)控制器、接口電路、看門狗、CAN總線控制器、CAN總線收發(fā)器、狀態(tài)指示面板等電路組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)產(chǎn)生電路

系統(tǒng)信號(hào)產(chǎn)生電路采用CD4069外接電阻電容構(gòu)成充放電通路產(chǎn)生方波脈沖信號(hào)。電路振蕩通過(guò)電容C充放電利用正反饋原理來(lái)完成，電路中R2是補(bǔ)償電阻，用于改善電源電壓變化而引起的震蕩頻率不穩(wěn)，由于CD4069為六反相器，為避免干擾將其余各部分輸入端接地。電路原理如圖2所示。

圖2 信號(hào)發(fā)生電路

R2阻值不僅可影響振蕩頻率，而且能改變輸出波形占空比，因?yàn)榇藭r(shí)消除了VT的波動(dòng)，能夠輸出占空比1/2方波，通常R1》》R2，一般取R1=10R2。

3.2 發(fā)射電路

系統(tǒng)信號(hào)發(fā)射電路由三極管V5、V6組成信號(hào)功率放大電路。得到較小占空比方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管工作。紅外發(fā)射管采用電流驅(qū)動(dòng)，高電平時(shí)工作，低電平時(shí)截止。這樣使紅外發(fā)射管工作于脈沖狀態(tài)，延長(zhǎng)了其使用壽命。電路原理如圖3所示。

圖3 發(fā)射電路

為了防止塵埃、飛蟲等遮斷紅外光束觸發(fā)報(bào)警，該電路中采用雙光束警戒線，當(dāng)兩光束同時(shí)被遮斷時(shí)才觸發(fā)報(bào)警，只遮斷一條光束時(shí)不報(bào)警。兩光束間隔可調(diào)，安裝時(shí)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整合適的間距。另外，根據(jù)檢測(cè)檢區(qū)域大小可以安裝多組探測(cè)頭形成紅外屏障，這樣只有人等通過(guò)時(shí)才會(huì)至少遮斷兩條光束，防止誤報(bào)警。

3.3 接收電路

當(dāng)檢測(cè)區(qū)中無(wú)遮擋物的情況下，紅外發(fā)射管發(fā)出的脈沖光無(wú)遮擋的被接收管接收，在電容C3產(chǎn)生負(fù)極性光敏電壓，無(wú)信號(hào)經(jīng)過(guò)電容C2;當(dāng)有遮擋物進(jìn)入檢測(cè)區(qū)中時(shí)，信號(hào)經(jīng)過(guò)電容C2向信號(hào)處理單元輸出。接收管輸出的電信號(hào)很微弱，因而經(jīng)過(guò)電容C2的電信號(hào)非常小，需經(jīng)放大后向后級(jí)傳送。電路原理如圖4 所示。

圖4 紅外接收電路

為了滿足裝置工作要求，在接收管前端安裝紅外濾光片去除可見(jiàn)光，使紅外接收管構(gòu)成最大受光區(qū)以提高系統(tǒng)精度。

3.4 處理電路

系統(tǒng)采用低功耗、高增益、內(nèi)部有頻率補(bǔ)償?shù)乃倪\(yùn)放集成芯片LM324。當(dāng)無(wú)遮擋物進(jìn)入檢測(cè)區(qū)時(shí)，電路中只有直流信號(hào)，無(wú)法通過(guò)電容C8;當(dāng)有遮擋物進(jìn)入檢測(cè)區(qū)時(shí)，接收電路的輸出突變的電信號(hào)，通過(guò)電容C8向后繼電路傳送，經(jīng)三極管Q6初級(jí)放大，再送到由LM324組成的放大電路進(jìn)行二次放大。

由于解調(diào)方波與紅外發(fā)射管的工作在時(shí)間上保持同步，且電子開(kāi)關(guān)僅在紅外發(fā)射管工作時(shí)接通，所以僅有來(lái)自紅外發(fā)射管的光信號(hào)被接收，雜散光則被擋除。通過(guò)電子開(kāi)關(guān)的方波信號(hào)由電阻電容網(wǎng)絡(luò)濾波平滑，留下直流分量，于是遮擋物的擋光面積信號(hào)被還原出來(lái)即是遮擋物的擋光面積大，留下的直流分量也大;遮擋物的擋光面積小，留下的直流分量也小，處理后的電信號(hào)送入單片機(jī)控制器。電路原理如圖5所示，

圖5 信號(hào)處理電路

3.5 CAN總線節(jié)點(diǎn)電路

總線通信接口選取Philips公司生產(chǎn)的CAN總線控制器SJA1000以及總線收發(fā)器82C250，主要是考慮到SJA1000同時(shí)支持 CAN2.0A和CAN2.0B協(xié)議，通信速率可達(dá)1Mbps。單片機(jī)控制器既負(fù)責(zé)總線控制器SJA1000初始化，亦通過(guò)控制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務(wù)。電路原理如圖6所示。

圖6 CAN總線節(jié)點(diǎn)電路

另外，82C250與CAN總線接口部分采用了一定安全和抗干擾措施。為增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，在CAN控制器SJA1000的 TX0和RX0不直接與CAN收發(fā)器82C250的TXD和RXD相連，而是通過(guò)加接6N137高速光電隔離器，實(shí)現(xiàn)了總線上各節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離［3］。 82C250的CANH和CANL引腳各自通過(guò)電阻與CAN總線相連，保護(hù)82C250免受過(guò)流的沖擊。CANH和CANL與地之間并聯(lián)了兩電容，起到濾除總線高頻干擾和防電磁輻射的作用。

3.6 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖7 CAN總線檢測(cè)系統(tǒng)原理圖

由于CAN總線傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸速率快，有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力，已成為國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，成為一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO-11898）［4］。本設(shè)計(jì)將各檢測(cè)控制裝置、控制節(jié)點(diǎn)等通過(guò)總線連接組成CAN 總線通信系統(tǒng)方便實(shí)現(xiàn)智能分布式實(shí)時(shí)檢測(cè)控制等。在控制系統(tǒng)領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。本系統(tǒng)組成原理如圖7所示。另外，可通過(guò)上位機(jī)、上位節(jié)點(diǎn)聯(lián)接實(shí)現(xiàn)對(duì)所有檢測(cè)控制裝置集中管理，同時(shí)向控制器下傳工作模式控制信息，利用PC機(jī)方便控制區(qū)域內(nèi)檢測(cè)控制裝置工作，根據(jù)實(shí)際情況修改程序，擴(kuò)展系統(tǒng)功能。

4、結(jié)束語(yǔ)

分布式安全檢測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、安裝方便、性能穩(wěn)定、工作可靠、實(shí)用性強(qiáng)，系統(tǒng)通過(guò)不同裝置之間互聯(lián)，擴(kuò)大了區(qū)域控制范圍。本系統(tǒng)可用于機(jī)械、紡織、食品等加工領(lǐng)域，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有效地保障了人員誤闖入或誤動(dòng)作，從而有效地保證了生產(chǎn)的正常進(jìn)行和產(chǎn)品質(zhì)量的提高。通過(guò)系統(tǒng)功能擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)其他工業(yè)控制，有廣泛的應(yīng)用前景。