CAN總線在港口裝卸設備檢測中的應用

摘要 針對目前部分港口設備購入較早，并沒有配備最先進的遠程監控系統，本文提出了利用現場總線中的CAN總線技術，開發港口裝卸設備狀態數據采集系統。系統采用分布式總線型結構，即由相應節點對所有現場參數的采集、轉換由進行處理，對提高系統的可靠性，降低維護維修工作量有重要的現實意義。實驗結果表明，該設計方案可以大大提高港口設備的數據傳輸速度和可靠性。

關鍵詞 CAN總線 港口裝卸設備

中圖分類號： TP27 文獻標識碼：A

Application of CAN Bus in the Testing of Port Handling Equipment

DENG Xiaokun[1]， ZHANG Runyu[2]

([1]Qingdao Harbour Vocational and Technical College， Qingdao， Shandong 266404;

[2]Qingdao News.com， Qingdao， Shandong 266000)

AbstractFor the situation that part of port equipments were bought early， and didn't equip with the most advanced remote monitoring system， this paper presents the use of field bus CAN bus technology， the development status of port handling equipment， data acquisition system. The system uses a distributed bus architecture， that is， from the corresponding field parameters for all nodes in the collection， conversion by the processing， to improve system reliability， reduce maintenance and repair work has important practical significance. Experimental results show that the design can greatly improve the port facilities and reliability of data transmission speed.

Key wordsCAN bus; port handling equipment

0 引言

港口吞吐量保持高速增長推動了港口機械大型化和高效化的發展，對設備的可靠性提出了更加嚴格的要求。目前，我國很多港口的大型港口裝卸設備基本都在出廠時配備了遠程監控系統，但是還有很多港口的裝卸設備處于超期服役狀態，且工況比較惡劣。大多數港口針對這些設備仍主要沿用傳統的“定期保養，事后維修”制度。本文提出了利用現場總線中的CAN總線技術，開發港口裝卸設備狀態數據采集系統。系統采用分布式總線型結構，即由相應節點對所有現場參數的采集、轉換由進行處理，對提高系統的可靠性，降低維護維修工作量有重要的現實意義。

1 CAN總線及其特點①

CAN 總線是近年來比較流行的一種具有國際標準的現場總線。由于其高可靠性 、靈活性等特點，越來越受到人們的重視并被廣泛應用。

（1）短報文結構。由于港口現場的數據傳輸特點為傳輸頻率較大，但是每次信息量不多，因此CAN總線的這種短報文格式既保證了系統的實時性又充分利用了帶寬，傳輸效率大大提高。（2）確保緊急報文的等待時間。（3）總線訪問優先權取決于報文標識符，使得多主設計成為可能。（4）強有力的錯誤處理能力，為系統的可靠運行創造良好的條件。（5）配置靈活，方便局域網進行擴展。

CAN 總線自身的這些特點使 CAN 總線能夠有效地支持港口設備數據采集系統這種分布式實時檢測系統。

2 系統組成

根據港口的實際需求，需要采集的參數主要包括各個關鍵受力點的動態應力、數據關鍵部位的振動數據、工作環境的溫度數據、設備吊鉤的高度及旋轉角度數據等參數，這些參數總體可分為模擬量和數字量。

本系統主要可分為現場數據采集與傳輸和上位機數據處理兩大部分。分別負責現場數據信號的采集傳輸和數據處理。基于CAN總線港口裝卸設備數據采集監測系統組成概況圖如下圖1所示。

圖1基于CAN總線港口裝卸設備數據采集監測系統組成概況圖

（1）數據采集傳輸部分:包括港口現場傳感器、CAN總線信號采集節點，主要完成采集信號從物理量到模擬量的轉換以及信號調理并完成數字化，通過CAN總線傳送到上位機。CAN總線信號采集節點又分為現場數據采集節點和監控機主節點。現場數據采集節點主要針對港口現場設備采集的信號設置數據采集節點。數據采集節點在接收到監控機主節點發送的詢問命令后，通過CAN總線將存放在節點數據緩沖區中的數據發送給主節點。主節點將節點發送的數據通過PCI-CAN通訊卡傳輸進上位機。

（2）上位機數據處理部分:完成從現場節點采集的數據進行信號處理、相關參數的標定、歷史數據的查詢、實時數據的動態顯示、對顯示圖形的打印、現場狀態的判斷。

3 數據采集節點的設計

根據系統對數據采集的功能需求，本系統選擇由美國Cygnal公司推出的C8051F040型單片機，此款芯片是完全集成的混合信號片上系統型MCU，因其片內集成了一個CAN2.0B控制器，可以很好的滿足系統的需要 。以C8051F040為核心的數據采集節點的整體結構框圖如下圖2所示。

圖2以C8051F040為核心的數據采集節點的整體結構框圖

3.1 模擬量節點數據采集模塊設計②

由于C8051F040單片機自帶A/D轉換部件，所以對模擬量的采集設計相對簡單。通過傳感器傳過來的信號進行簡單的調理轉化為4-20mA的電流信號，然后通過一個采樣電阻電流信號轉換為相應的電阻值進行模數轉換。最后由單片機對信號進行處理。在設計中采用高精度線型光電耦合芯片完成信號電流到電壓轉換。實現了模擬信號的高精度數據采集，

在本系統選用光電耦合器將模擬電路與數字電路進行電氣隔離。普通光電耦合器具有非線性電流傳輸特性，這對于數字量和開關量的傳輸不成問題，但對于模擬量的傳輸精度則很差。本系統選用HP 公司生產的一種高線性度模擬光電耦合器HCNR201進行隔離。然后將采集的數據送給單片機進行處理。

3.2 數字量節點數據采集模塊設計

港口設備中許多的數字脈沖量需要實時、迅速、準確地測量。需要將脈沖量進行相應的調理。數字信號調理主要完成信號整形等功能。脈沖信號經過比較器，高速光電隔離，脈沖整形后，進入單片機計數，最后通過 CAN收發模塊，將得到的數據發送到上位機。

3.3 CAN節點通訊模塊設計

C8051F040型芯片自帶CAN2.OB(全功能CAN)控制器，方便了在 CAN 網絡上的通信。CAN 控制器包含一個 CAN 核、消息 RAM（獨立于 MCU 核心的 RAM）、消息處理狀態機和控制寄存器。外加一個CAN收發器件(TJA1050等)，即可連入CAN網絡。為了進一步提高系統的抗干擾能力，在CAN控制器引腳CANTX、CANRX和收發器TJA1050之間并不是直接相連，而是通過由高速光耦6N137 構成的隔離電路后再與TJA1050 相連。6N137 為高速光耦，最高傳輸速度能達到 10MBit/s，并能實現最高 3KV 的電氣隔離。CAN節點通訊模塊原理圖如圖5所示。

圖5CAN節點通訊模塊原理圖

3.4 系統軟件設計

在本系統節點設計中，軟件方面主要包括：數據采集模塊程序、CAN收發模塊程序。CAN收發模塊程序流程圖如圖6所示。CAN收發軟件設計主要包括三部分：系統初始化程序、發送程序和接收程序。

圖6CAN收發模塊程序流程圖

節點在接收數據時有兩種接收方式：查詢方式和中斷方式。本系統采用中斷方式實現數據通訊。采用中斷方式接收時 ，下位機節點在 BUS通訊協議把數字信號送到現場處理器進行處理、計算、顯示和上傳。

4 結語

使用 CAN總線檢測港口設備數據采集相對成本低，且設計實現簡單，發現故障迅速，功耗較低 ，經過實驗測試結果證明，CAN總線完全可以達到港口裝卸設備數據傳輸要求，有效提高了系統的可靠性 。

注釋

①鄔寬明.CAN總線原理和應用系統設計[M].北京:北京航空航天大學出版社，2002.

②饒運濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現場總線CAN原理與應用技術[M].北京:北京航空航天大學出版社，2004.