基于CAN总线的分布式网架健康状态监测系统的设计

摘要：针对某网架安全监测的需要设计了分布式健康状态监测系统，介绍了在分布式系统中利用控制器局域网(CAN)组建分布式通信网络模块的方案。详细阐述了基于CAN总线控制器SJAl000的采集系统设计方案及具体的硬件电路设计，并解决了在软件设计中容易碰到的问题。

在某大网架结构的建筑中，由于网架结构的特殊性及其所处地理位置在沿海台风多发地带，因此需要设计高速数据采集系统对网架结构的健康状况进行实时监测，并对数据进行实时分析和评估。由于需要对网架上受力情况进行多点监测，考虑到硬件集中控制扩展能力差且在现场施工有较大的布线困难，因此本系统采用目前广泛应用的分布式系统设计方案，将各个控制单元分布在现场各采集点上。为了实现分布式系统的监测与控制功能，需要建立良好的通讯方式，以完成系统主机与各智能单元之间的信息交换与通信。根据本数据采集系统的特点，其通信系统应具有良好的可靠性、适应性、可扩展性和简单的连接方式，并能满足长距离传输的需要。由于此数据采集系统节点数多(100路)、对信号传输速度要求高且误码率低，利用485总线搭建数据采集系统的传统方式，其最大控制结点只能有32个，在超过lkm的布线结构中传输速度只有lOOkbps，且"数据碰撞"和"死锁"等问题不易解决，因此采用485总线显然达不到设计要求。

    相对于传统的485总线来讲，控制器局域网CAN(Controller Area Network)作为现场总线的一种，以其分时多主、非破坏性总线仲裁和自动检错重发等灵活、可靠的通信技术解决了485总线现场调试困难、开发周期长等问题[1]。尤其在较为艰苦的安装环境中，其高效的现场调试性能显得尤为实用。作为一种分散式、数字化、双向多点、具有高速率高可靠性特点的通信系统，CAN可以构建灵活的多主通讯机制，也可以建立主从式结构，而且这两种方式下的硬件物理联接完全相同。其自动进行数据编码、CRC冗余校验、出错自动重发的功能保证了数据的准确率，某一节点严重出错时能自动脱离总线保证了系统的稳定性，且其具有极强的带负载能力，可驱动多达110个节点，可满足本系统高速、精确、多负载的要求。

1 采集卡硬件电路的设计

1．1 CAN总线分布式系统结构设计

系统结构如图1所示。本系统由上位监控PC机、CAN总线适配卡和控制单元三部分组成。上位监控PCs机采用IBM-PC兼容机，主要负责对系统数据的接收与管理、控制命令的发送以及各控制单元动态参数和设备状态的实时显示；CAN总线适配卡可以使PC机方便地连接到CAN总线上；控制单元以单片机为核心，主要负责对现场的环境参数和设备状态进行监测，对采集来的数据进行打包处理并将处理过的数字信号通过CAN通信控制器SJA1000送入CAN总线。

1．2 控制单元模块设计及关键问题的解决

控制单元的主要功能是将现场采集的模拟信号转换成数字信号，通过CPU处理后再由CAN总线控制器打包送上CAN总线以便上位机接收处理；接收上位机控制信号，实现现场控制的具体操作。具体需要解决的问题为：①CAN模块设计；②A／D模块设计。

1．2．1 CAN模块设计

控制单元以8位单片机AT89C51为核心，选用器件SJA1000作为CAN控制器，并选用芯片82C250和6N137作为CAN控制器接口和光耦隔离。硬件电路如图2所示。

系统采用的CAN总线通信控制器SJA1000是PHILIPS公司生产的一种独立式CAN器件，其原理框图如图3所示。它与CAN2．OB相兼容[1]，同时支持11位(BasicCAN模式)和29位(PeliCAN模式)识别码。

图2中AT89C51单片机的ALE、WR、RD端分别控制SJA1000的ALE／AS、WR、RD端，地址和数据线ADO～AD7由P0口分时复用实现。SJA1000的中断请求信号INT在中断允许且有中断发生时，由高电来此跳变到低电平，所以INT和AT89C51的INT0直接相连。片选信号CS由GAL译码电路控制，当CS接到低电平时，SJA1000被选中，CPU可对SJA1000进行读／写操作。为了增强控制节点的抗干扰能力，防止线路间串扰，SJA1000通过光耦6N137与82C250相连，从而使总线上各个CAN节点之间实现隔离，以保护CAN控制器正常工作。82C250是CAN总线收发器，是CAN控制器SJA1000正常工作与CAN总线的接口器件，对CAN总线以差分方式发送。其引脚RS用于选择82C250的工作模式(高速、斜率控制或等待)。RS脚接地，82C250工作于高速方式，RS脚串接一个电阻R后再接地，若82C250处于CAN总线的网络终端，总线接口部分必须加一个120Ω的匹配电阻，以保护82C250免受过流的冲击。

1．2．2 A／D模块设计

A／D芯片选用12位高速采集芯片AD57