基于CAN总线安全监测控制系统研究与设计

第２７卷第６期　２００７年ｌ１月　核电子学与探测技术　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　８Ｌ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｎｏ．６　２００７　

基于ＣＡＮ总线安全监测控制系统研究与设计　

温欣玲，陈　宇，张　臻，赵雨斌　（郑州航空工业管理学院机电工程系，河南郑州４５００１５）　

摘要：为实现对生产制造企业设备操作人员危险工作区安全防护，设计了一种基于ＣＡＮ总线技术　实现分布式安全监控防护系统。系统借助红外传感器光电转换特性，利用ＡＴ８９Ｃ５１单片机对检测信号　进行处理，并控制ＣＡＮ总线控制器ＳＪＡ１０００／收发器ＰＣＡ８２Ｃ２５０构成的ＣＡＮ总线通信系统进行数据　传输，通过串行接口ＭＡＸ２３２将主控机与各控制节点相联，实时监控各设备状态，并可实现监控方案下　载更新。文章介绍了系统工作流程及主要功能模块设计原理。通过实验检测，系统控制精度可达０．　１ｍｍ，保护距离可达１５ｍ，检测正确率１００　。另外，本系统对ＦＡ４３１粗纱机进行设备改造，有效实现了　断纱、断条及纱线在线质量检测，生产效率提高２５　－－３５　。　关键词：ＣＡＮ总线；红外传感；ＡＴ８９Ｃ５１；安全监控　中图分类号：ＴＮ２１６　文献标识码：Ａ　文章编号：０２５８一ｏ９３４（２ｏ０７）０６—１２４６—０６　目前，通过对我国部分大中型企业调研，发　现较多生产制造企业设备缺乏必要的安全保护　装置，甚至一些如冲压、锻造、剪折等高危险设　备上也是如此，安全生产仅仅停留在思想教育　上，忽略了对安全保护设备的投资；另外，由于　部分安全保护设备本身缺乏安全监控措施，使　得安全保护并不安全，并未真正排除危险隐患，　以至因操作不当、思想不集中而引发人机事故　或危险区域误闯入，造成人身伤害甚至危及生　命。　随着电子技术、控制技术、总线技术的发　展，人机工程观念的深入，安全保护通过先进的　自动控制技术日益加以实现。由于ＣＡＮ总线　传输距离远，传输速率快，有较强的抗电磁干扰　能力，已成为国际上应用最广泛的现场总线之　一，成为一种国际标准（ＩＳＯ－１１８９８）［１］。本系统　

收稿日期：２００７－０６—１１　作者简介：温欣玲（１９７９一），女，硕士研究生，讲师，　主要从事电子信息、自动控制技术教学与研究　１２４６　利用ＣＡＮ总线作为现场通信总线完成生产设　备安防监控系统设计，实现了对生产现场设备　及危险区域的集中监控与管理，从根源上避免　了危险事故发生，保障了人员安全。　１设计原理　本系统监测装置安装在生产设备或危险区　域警戒处，利用红外发射／接收管（５ＧＬＢ／　３ＤＵ５Ｃ）对射实现。通电后，信号发生器产生　一定频率及占空比的调制脉冲信号。调制脉冲　信号驱动红外发射管辐射出一定波长红外脉冲　信号。当操作人员身体部位没有位于危险区域　（压力机冲压工作台、机床刀口处等）时，由发射　管５ＧＬＢ发出的红外脉冲信号能够顺利被红外　接收管３ＤＵ５Ｃ接收，经解调放大器解调输出　脉冲信号，将此信号经过筛选、功率放大、抑制　网络等处理后，输出高电平信号驱动主系统继　电器动作，被监控设备正常工作。反之，红外脉　冲信号被遮挡，接收管无法接收信号，使红外接　收处理电路处于截止状态，报警驱动电路输出　高电平，报警电路工作，

监控现场警示灯亮，电　维普资讯 http://www.cqvip.com 磁机构迅速动作，使主传动机构电动机停转，被　监控设备停止工作，从而实现对操作人员的人　身防护。　主控节点上位机采用ＰＣ机，通过上位管　理软件完成控制区域、灵敏度等方案的编辑、修　改和下载。ＰＣ通过ＣＡＮ总线［２］随时监听总　线上发送的消息，当各监控装置工作状态发生　改变（设备停机、监控装置异常）时，控制节点将　其状态改变反映到主控台监控状态显示屏上，　并报警通知。控制室监控人员可及时对安全保　护装置进行维修处理。系统结构原理如图ｌ所　示。　

图１系统结构原理框图　２系统设计　系统主要由监控检测电路、单片机控制器　ＡＴ８９Ｃ５１、ＣＡＮ总线控制器ＳＪＡｌｏＯＯ／收发器　ＰＣＡ８２Ｃ２５Ｏ、光电隔离芯片６Ｎ１３７、ＰＣ机、通　讯接口ＭＡＸ２３２电路等组成。其中，监控检测　电路以及ＣＡＮ总线控制电路是系统设计的关　键。　监控检测电路主要由信号发生电路、接收　电路、处理电路、单片机、看门狗、电子开关、显　示报警电路、设备驱动电路等组成，ＰＣ上位机　通过串行接口ＭＡＸ２３２与各监控电路组成的　监测装置相联，通过ＣＡＮ总线通信系统进行　数据传输，实时监控各设备状态。组成原理框　图如图２所示。　２．１信号产生、发射电路　本系统信号发生电路利用一片ＣＭＯＳ系　列六反相器４０６９。其中，Ｕ１Ａ、Ｕ１Ｂ组成自激　多谐振荡器电路，振荡波形通过ＵＩＣ缓冲。输　出信号通过二极管Ｄ１选通非稳态的多谐振荡　器，非稳态多谐振荡器由５５５集成定时器及相　ｃ　Ｊ　Ｊ信号发生Ｌ　红外发射Ｌ１－ｊ监控区域　

单片机　ＡＴ８９Ｃ　红外接收　

监控设备　墨恒　醒　

图２监控装置原理框图　应电阻Ｒ２、Ｒ３、电容Ｃ２构成，信号振荡频率为　３６ｋＨｚ，输出信号通过反相器Ｄ反相后输出　３６ｋＨｚ脉冲信号，此脉冲信号经微分电路变为　前沿陡峭的尖脉冲波，用负向脉冲推动三极管　ＢＧ１间歇导通，使与其串接的红外发射管组发　射红外脉冲信号，根据监控设备及区域情况，发　射电路可以由一组或多组红外发射管串联组　成。系统信号产生及发射部分原理如图３所　示。　

图３信号产生及发射电路　本系统使用红外脉冲调制光，与直流光相　比，增强了抵御环境杂散光和车间内机电干扰　的能力，另外，由于发光管工作于脉冲状态，大　大延长了发射管使用寿命。　２．２信号接收、处理电路　红外发射管发射的光束经一组透镜投射到　反射镜上，被反射镜反射后，经另一组透镜聚焦　成平行光，在没有遮挡物时完全被红外接收管　接收。系统采用低功耗、高增益、内部有频率补　偿的四运放集成芯片ＬＭ３２４。当有遮挡物进　入检测区时，接收电路输出突变电信号，通过电　容Ｃ６向后继电路传送，经三极管Ｑ４进行一次　放大，然后再送到由ＬＭ３２４组成的放大电路　进行二次放大。由Ｑ３组成的电子开关仅在红　１２４７　兰一

　维普资讯 http://www.cqvip.com 外发射管工作时接通，因此解调方波与红外发　射管的工作在时间上保持同步，所以杂散光等　则被挡除，来自红外发射管的光信号有效接收，　大大避免了环境频闪等引起的串干扰。　通过电子开关的方波信号经过由Ｒ１２，　Ｒ１５，Ｒ１７，ＣＡ，ＣＳ，Ｃｌｌ组成的滤波网络留下直　流分量，于是遮挡物的挡光面积信号被还原出　来。遮挡物的挡光面积大，留下的直流分量也　大；遮挡物的挡光面积小，留下的直流分量也　小。电阻网络用来调整脉冲信号的高低电压　值，以得到合适的电压来向后继电路传输。转　换的直流信号输入到单片机ＡＴ８９Ｃ５１的Ｐ１　口完成信号采集。系统接收部分通过运放负反　馈原理，通过改变电位器ＲＷ串入阻值调整检　测灵敏度。另外，系统通过单片机ＡＴ８９Ｃ５１　编程利用Ａ／Ｄ变换数值通过查表方式完成高　精度检测，以进行系统扩展以便于其他设备监　测。其原理如图４所示。　

图４信号接收及处理电路　为满足工作要求，在红外接收管前端安装　红外滤光片去除可见光，使红外接收管构成最　大受光区以提高系统检测精度。　２．３监控检测电路　单片机ＡＴ８９Ｃ５１　Ｐ１．３口用于接收解调后　的信号，Ｐ２．０口作为输出控制，当其输出高电　平时，光电耦合器导通，三极管ＢＣ－１导通，继电　器得电吸合，设备正常工作指示绿灯亮。当监　控设备出现故障（或挡光）时，光电检测转换电　路检测不到红外信号，光电耦合器截止，则三极　管ＢＧ１截止，继电器失电断开，设备正常工作　指示灯熄灭，报警指示红灯点亮；同时，Ｐ２．１口　变为高电平，通过ＣＡＮ总线通信将状态反映　到上位控制机，主控室显示屏设备对应指示灯　点亮并报警通知。设计中采用光电耦合器，增　强了系统抗干扰能力，以防止继电器发生误导　通。设备现场监控检测电路如图５所示。　２．４上位ＰＣ机接口电路　本系统使用ＣＡＮ总线构成生产现场分布　】２４８　图５监控检测电路　式安防监控系统。设置与上位ＰＣ机相连的上　位节点为主节点，各检测控制装置为底层节点。　ＣＡＮ总线控制器使用ＰＨＩＩ　ＩＰＳ公司生产的　ＳＪＡ１０００芯片［３］。ＳＪＡｌｏｏｏ是一种独立的　ＣＡＮ总线控制器，它是ＰＣＡ８２Ｃ２ＯＯ　ＣＡＮ控　制器（ＢａｓｉｃＣＡＮ）的替代产品，增加了一种新的　操作模式一Ｐｅｌｉｃａｎ，支持ＣＡＮ２．０Ｂ协议［　。　通信位速率可达１Ｍｂｐｓ，响应速度快，温度范　围广，较好地满足了多现场环境下监控需求。　ＰＣＡ８２Ｃ２５Ｏ作为　控制器和物理总线间　的接口，可提供对ＣＡＮ总线的差动发送和对　控制器的差动接收，它与ＩＳＯ／ＤＩＳｌ１８９８标准　完全兼容，同时具有可降低射频干扰的斜率控　制方式，即使某个节点掉电也不会影响总线上　其它设备正常工作［５］。上位ＰＣ机通过ＲＳ２３２　转接板与ＣＡＮ总线相连，主要负责ＲＳ２３２接　口与ＣＡＮ总线接口之间的协议转换，处理　ＣＡＮ总线ＲＳ２３２接口的上层实现，完成数据　交换。ＲＳ２３２负责接口协议转换［６］，ＡＴ８９Ｃ５１　单片机作为本系统的主控制器，晶振信号由　ＳＪＡ１０００提供，接入单片机ＸＴＡＩ　１脚，　ＸＴＡＬ２引脚接地。ＳＪＡ１０００芯片的ＣＳ片选　端与ＡＴ８９Ｃ５１相连。ＣＡＮ总线上位接口电　路如图６所示。　

图６上位ＰＣ接口电路　Ｑ　总线收发器ＰＣＡ８２Ｃ２５０是ＣＡＮ控　制器与物理总线之间的接口，对物理总线提供　差动发送能力，对ＣＡＮ控制器提供差动接收　能力，

同时它可以增大通信距离。为了提高抗　维普资讯 http://www.cqvip.com 干扰能力，在ＣＡＮ控制器ＳＪＡｌｏｏｏ和ＣＡＮ收　发器８２Ｃ２５ｏ之间利用高速光电耦合芯片　６Ｎ１３７相连，光耦部分采用的两个电源ＶＣＣ、　ＶＤＤ必须完全隔离，否则采用光耦也就失去了　意义。电源的完全隔离可采用小功率电源隔离　模块或带多５Ｖ隔离输出的开关电源模块实　现。本系统使用双隔离电源供电的方式。这些　部分虽然增加了节点的复杂度，但是却提高了　节点的稳定性和安全性。　８２Ｃ２５０的ＣＡＮＨ和ＣＡＮＩ　引脚各自通　过一个５Ｑ电阻Ｒ３８、Ｒ３９与ＣＡＮ总线相连，　起到保护８２Ｃ２５０过流冲击作用。ＣＡＮＨ和　ＣＡＮＬ与地并联两个３０ＰＦ电容Ｃ２７、Ｃ２８，可　以起到滤除总线高频干扰和防电磁辐射作用。　在ＣＡＮ总线输入端与地之间接防雷击管Ｄ５、　Ｄ６，当两输入端与地之间出现瞬变干扰时，通　过防雷击管放电起到保护总线作用。８２Ｃ２５０　的Ｒｓ端根据总线通信速度适当调整，其值一　般在１６～１４ＯＫＱ之间，本系统设计选择４７ｋ电　阻Ｒ３７。　此外，总线两端接有两１２０￣２终端电阻［７］，　用于匹配总线阻抗。忽略接入会使数据通信的　抗干扰性及可靠性大大降低，甚至无法实现数　据通信。　２．５看门狗电路　为防止程序运行死循环，保证系统不受恶　劣环境干扰。选用美国ⅪＣＯＲ公司生产的标　准化８引脚集成芯片Ｘ２５０４５设计复位电路模　块。芯片Ｘ２５０４５具有上电复位、看门狗定时、　减压管理、串行块保护功能ＥＥＰＲＯＭ功能，有　助于简化应用系统，减少印制板面积，降低成本　和系统功耗，可靠性高［８］。　定时器预置时间通过Ｘ２５０４５状态寄存器　相应位来设定。Ｘ２５０４５状态寄存器共有６位　有含义，其中ＷＤ１、ＷＤ０和看门狗电路有关，　其余位和ＥＥＰＲＯＭ的工作设置有关。通过软　件预置监控时间，在看门狗定时器预置时间内　若没有总线活动，Ｘ２５０４５将从ＲＥＳＥＴ复位端　输出高电平信号，经微分电路Ｃ１７、Ｒ３０输出正　脉冲信号，使ＣＰＵ复位。ＣＰＵ的复位信号共　有３个：由Ｃ１５、Ｒ２８组成的上电复位，由Ｓ１、　Ｒ２８、Ｒ２９组成的人工复位和由Ｃ１７、Ｒ３０组成　的看门狗自复位，通过ＴｒＬ二输入四或门　７４Ｉ　￥３２加到单片机ＡＴ８９Ｃ５１　９及ＳＪＡ１０００　１７　ＲＥＳＥＴ复位端以实现自动或手动复位。　Ｃ２、Ｒ３的时间常数ｒ设定不必过大，数百肛ｓ即　可。电路原理如图７所示。