基子CAN总线的分布式网架健康状态监测系统的设计

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。

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、

1．2．2 A／D模块设计

A／D芯片选用12位高速采集芯片AD574。在本设计中，A／D模块的功能是将外部模拟信号通过AD574转换成数字信号后并行输入到AT89C51，然后AT89C51将其打包，并行输出至CAN总线通信控制器SJA1000，经总线收发器至CAN总线。其监控电路采用DS1232，它具有电源监控、手动复位和看门狗功能，还能同时输出高低电平的两路复位信号，分别输出至AT89C51和SJA1000的复位端，以满足本次设计的要求。

2 软件设计

本健康监测系统要求软件部分具有现场数字信号显示、检测并驱动现场信号设备等功能。在本设计中主要完成两部分任务：第一是PC机部分的上位机显示，主要通过集成开发环境软件设计出上位机监视显示界面，其重点在于PC机与现场节点间的通信；第二是现场节点控制设计，即设备驱动功能的实现，目的是能接收上位机的控制信号，使现场节点按既定的工作方式工作。

根据系统的工作要求，工作重点包括CAN总线通信程序、看门狗的初始化、A／D采样控制程序、执行机构控制程序和控制算法等，主要流程如图4所示。限于篇幅，这里着重介绍SJA1000初始化程序设计、发送程序设计、接收程序设计以及A／D转换程序的设计。

2．1 SJA1000初始化设计

初始化流程图如图5所示。AT89C51上电或复位后，调用复位程序给SJA1000的复位端(RST)提供复位信号，使SJA1000进入复位模式。SJA1000的初始化只有在复位模式下才可以进行。初始化程序主要完成以下寄存器的设计：(1)通过对SJA1000的时钟分频寄存器定义，判断是使用BassicCAN模式还是使用PeliCAN模式；是否使能CLOCKOUT及输出时钟频率；是否使用旁路CAN输入比较器；TX1输出是否采用专门的接收中断。(2)通过写验收码寄存器和验收屏蔽寄存器定义接收报文的验收码，以及对报文和验收码进行比较的相关位定义验收屏蔽码。(3)通过写总线定时寄存器定义总线的位速率、位周期内的采样点和一个位周期内的采样数量。(4)通过写输出寄存器定义CAN总线输出管脚TX0、TX1的输出模式和输出配置。(5)清除SJA1000的复位请求标志，进入正常工作模式，这样SJA1000方可进行报文的发送和接收。

2.2 发送和接收程序设计

单片机将要发送的报文送到SJA1000的发送缓冲区，然后将SJA1000命令寄存器的发送请求标志位(TR)置位，发送过程由SJA1000独立完成。在新报文写入发送缓冲区之前，必须检查状态寄存器的发送缓冲器的状态标志位(TBS)，若为“1”，则发送缓冲器被释放，可将新的报文写入发送缓冲器；否则，发送缓冲器被锁定，新的报文不能被写入，发送程序可以采用中断方式和查询方式。在本次设计中，采用的是查询方式。

报文的接收也是由SJA1000独立完成的。收到的报文通过接收滤波器存放在FIFO中，第一条报文进入接收缓冲器，由状态寄存器的接收缓冲器状态标志位(RBS)和接收中断标志位(RI)标出。单片机从接收缓冲器取走一条报文后，要通过置位SJA1000的命令寄存器来释放接收缓冲器。在本次设计中，接收程序的设计采用的是中断方式。

2．3 A／D转换设计

在本次设计中采用的是12位逐次逼近型A／D转换器AD574。以查询方式设计程序，通过连续查询A／D转换结束标志位判断转换是否结束。当转换结束时，将数据送人CPU中进行处理，并将处理后的数据保存至6264芯片。

基于CAN总线设计的高速分布式数据采集系统具有一定的使用价值，而且价格低廉、可靠性高。