一种基于CAN总线的在线故障检测系统

1.一种基于CAN总线的在线故障检测系统，包括上位机人机界面，下位机智能模块以及CAN总线；上位机通过CAN适配卡与CAN总线相连，上位机为PC机与接在PC机PCI插槽上的CAN适配卡组成；下位机智能模块通过CAN驱动器与CAN总线相连，其特征在于，所述的下位机智能模块，包括界面部分，电机控制部分，电压、电流、转速、扭矩、振动、温度等各种信号以及各种信号采集的部分；其中，
界面部分，包括键盘模块和LCD液晶模块，键盘模块通过键盘模块的芯片对键盘进行
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扫描，并将键值存储在其键值寄存器中，下位机芯片通过IC总线读取键盘模块的芯片上的键值寄存器完成键盘功能，LCD液晶模块通过数据和控制总线形式连接到下位机芯片上；
电机控制部分，包括12位DA转换模块，控制信号输出端，伺服驱动器，控制信号分为数字控制信号和模拟控制信号，数字控制信号由普通的I/O口产生，通过控制端的高低电平来间接实现对电机正转，反转以及启动与停止状态的控制；模拟控制信号由下位机芯片自带的12位DA转换模块产生，通过调节模拟信号的大小来实现电机转速的控制；
信号采集的部分，包括12位AD转换模块，光电编码器采集模块，三路模拟信号分为电机电压、输出扭矩及温度，经由相应的传感器采集，再经AD620放大后均以差分方式输入AD转换模块，光电编码器信号由下位机芯片自带的定时器模块采集。
2.根据权利要求1所述的一种基于CAN总线的在线故障检测系统，其特征在于，所述上位机人机界面，包括PC机，打印机以及VC++开发的人机界面，上位机通过CAN适配卡与CAN总线相连。
3.根据权利要求1所述的一种基于CAN总线的在线故障检测系统，其特征在于，所述的CAN总线包括双绞线，PC适配卡以及CAN驱动器。

一种基于CAN总线的在线故障检测系统\n【技术领域】\n[0001] 本发明涉及大型电机组的故障实时监测系统装置，具体地说，是一种基于CAN总线的在线故障检测系统。\n【背景技术】\n[0002] 随着现代企业的不断发展，大型机组的应用变得十分广泛，相应的这就在一定程度上给实时故障检测带来了不便，如何对电机的运行状态进行实时在线监测，记录故障源，并实施故障报警及相关电机控制从而更好的对机组的各个成员进行有效的检测便成为当前人们关注的焦点。20世纪80年代，一种新型的控制系统-现场总线控制系统(FCS)的出现给人们带来了解决问题的方法，因此我们借助于现场总线的概念来实现对大型机组的故障检测。与传统的控制系统相比，现场总线控制系统是一种全分布、全数字、全开放的控制系统。它作为智能设备的联接纽带，把挂接在总线上的智能设备作为节点连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、参数修改、监控、显示、优化及管控一体化的综合自动化功能，具有广泛的应用前景。目前现场总线的产众多，有影响的大约有40多种，其中应用比较多的有CAN总线，FF总线，ProfiBUS总线，DeviceNET，ControlNET，P-NET等等。\n每种现场总线都有着自己的优势和主要应用领域。同时现场总线的标准种类比较多，在某种程度上制约了现场总线的应用。\n[0003] CAN总线最初是由德国Bosch公司为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的通信协议，目前其应用领域已扩展到过程控制、机械制造、机器人和楼宇自动化领域，且在现场总线中最早成为国际标准。在工程控制领域，CAN总线可作为现场设备级的通信总线，与其他总线相比，具有很高的可靠性和性价比。CAN网络上任何一节点均可作为主节点主动地与其他节点交换数据问题，使设计灵活，并可大大提高系统的性能。\nCAN网络节点的信息帧可分出优先级，这为有实时性要求的用户提供了方便，同时，CAN的物理层及链路层采用独特的设计，使其在抗干扰，错误检测能力等方面的性能很好。另外，从实现角度讲，CAN结构简单，器件容易购买，每个节点的价格较低，开发技术容易掌握，能充分利用现有的单片机开发工具。\n[0004] 工业测控现场通常存在大量的传感器、执行机构和电子控制单元，它们一般分布较广，且实时性要求很高，结合CAN总线的特点，于是本系统采用了现场总线式集散系统(Field Distributed Control System)FDCS结构，以CAN总线网络将各个分散、孤立的工业设备连接起来加以监控。本系统采用拓扑结构网络，以双绞线为传输介质，上位机通过CAN总线PC适配卡接至CAN总线上，各下位机节点由带CAN控制器的单片机控制通过CAN驱动器与CAN总线相连。广义上讲，上位机也属于CAN总线上的一个智能节点，这样便构成了多主机的工业现场网络，CAN总线上各节点都处于平等地位，可根据报文的ID号进行数据传输，由此避免了因主机或某一子机出现故障而导致整个系统的瘫痪。\n【发明内容】\n[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于CAN总线的在线故障检测系统。\n[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：\n[0007] 一种基于CAN总线的在线故障检测系统，包括上位机人机界面，下位机智能模块以及CAN总线；上位机通过CAN适配卡与CAN总线相连；下位机智能模块通过CAN驱动器与CAN总线相连，其特征在于，所述的下位机智能模块，包括界面部分，电机控制部分，电压、电流、转速、扭矩、振动、温度等与各种信号以及各种信号采集的部分；其中，[0008] 界面部分，包括键盘模块和LCD液晶模块，键盘模块通过键盘模块的芯片对键盘\n2\n进行扫描，并将键值存储在其键值寄存器中，下位机芯片通过IC总线读取键盘模块的芯片上的键值寄存器完成键盘功能，LCD液晶模块通过数据和控制总线形式连接到下位机芯片上；\n[0009] 电机控制部分，包括12位DA转换模块，控制信号输出端，伺服驱动器，控制信号分为数字信号控制和模拟信号控制，数字控制信号由普通的I/O口产生，通过控制端的高低电平来间接实现对电机正转，反转以及启动与停止状态的控制；模拟控制信号由下位机芯片自带的12位DA转换模块产生，通过调节模拟信号的大小来实现电机转速的控制；\n[0010] 信号采集的部分，包括12位AD转换模块，光电编码器采集模块，三路模拟信号分为电机电压、输出扭矩及温度，经由相应的传感器采集，再经AD620放大后均以差分方式输入AD转换模块，光电编码器信号由下位机芯片自带的定时器模块采集；\n[0011] 所述的CAN总线，包括双绞线，PC适配卡以及CAN驱动器，双绞线作为信号的传输介质，PC适配卡主要实现数据收发功能，适配卡将智能数据采集模块传输过来的数据转发给上位机，并将上位机发出的命令和设数据转发给CAN上的各个智能节点；监控管理功能，完成对连接在CAN总线上各个智能节点的监控和管理工作；CAN总线部分将整个系统连接起来，负责数据的传递工作。\n[0012] 与现有技术相比，本发明的积极效果是：\n[0013] (1)本发明的控制对象为大型机组，现场环境比较特殊，各种电磁干扰信号对电机控制和数据的采集都有很大的影响，从而影响到对电机故障的分析，所以我们对干扰问题，反馈控制等做出了新的要求；\n[0014] (2)本发明的硬件设计成本相对较低，MCU选用Cygnal的C8051F040芯片，其自身集成了真正12位、100ksps的ADC模块，两个12位DAC模块，控制器局域网(CAN2.0B)控制器，以及其他数字外设及功能部件，是一款完全集成的混合信号系统级芯片(SoC)，从而简化了硬件结构设计，提高了抗干扰能力，保证了检测系统的实时性、可靠性又降低了成本；\n[0015] (3)本发明采用了2个人机界面，可以在上位机与下位机分别对各项参数进行设置，从而使上下位机具有一定的独立性；\n[0016] (4)本发明采用拓扑结构网络，本上位机与下位机同属于CAN总线上的智能节点，这样便构成了多主机的工业现场网络，CAN总线上各节点都处于平等地位，可根据报文的ID号进行数据传输，由此避免了因主机或某一子机出现故障而导致整个系统的瘫痪；\n[0017] (5)本发明采用了闭环控制结构，上位机将采集进的数据进行分析与比较，再将结果发送给下位机，实现对设定参数的实时改写。\n【附图说明】\n[0018] 图1本发明的系统硬件结构图；\n[0019] 图2本发明中的下位机智能模块结构图。\n【具体实施方式】\n[0020] 以下提供本发明一种基于CAN总线的在线故障检测系统的具体实施方式。\n[0021] 请参见附图1与2，一种基于CAN总线的在线故障检测系统，包括上位机人机界面，下位机智能模块以及CAN总线；上位机通过CAN适配卡与CAN总线相连；下位机智能模块通过CAN驱动器与CAN总线相连，所述的下位机智能模块，包括界面部分，电机控制部分，电压、电流、转速、扭矩、振动、温度等与各种信号以及各种信号采集的部分；其中，[0022] 界面部分，包括键盘模块和LCD液晶模块，键盘模块通过键盘模块的芯片对键盘\n2\n进行扫描，并将键值存储在其键值寄存器中，下位机芯片通过IC总线读取键盘模块的芯片上的键值寄存器完成键盘功能，LCD液晶模块通过数据和控制总线形式连接到下位机芯片上；\n[0023] 电机控制部分，包括12位DA转换模块，控制信号输出端，伺服驱动器，控制信号分为数字信号控制和模拟信号控制，数字控制信号由普通的I/O口产生，通过控制端的高低电平来间接实现对电机正转，反转以及启动与停止状态的控制；模拟控制信号由下位机芯片自带的12位DA转换模块产生，通过调节模拟信号的大小来实现电机转速的控制；\n[0024] 信号采集的部分，包括12位AD转换模块，光电编码器采集模块，三路模拟信号分为电机电压、输出扭矩及温度，经由相应的传感器采集，再经AD620放大后均以差分方式输入AD转换模块，光电编码器信号由下位机芯片自带的定时器模块采集。\n[0025] 上位机为PC机与接在PC机PCI插槽上的CAN适配卡组成；选用广州致远电子有限公司的PIC-5110单路智能CAN适配卡，它具有标准PCI接口，使PC机方便地连接到CAN总线上，实现CAN2.0B协议的数据通讯；该接口卡自带光电隔离模块，使PC机避免由于地环流的损坏，增强系统在恶劣环境中使用的可靠性。PCI-5110智能接口卡配有可在Win98/Me、Win2000/XP下工作的驱动程序，使用通用CAN接口库，开发环境简单、友好，可支持VC++、C++builder、Delphi、VB等开发环境；\n[0026] 上位机结构，如附图1所示，主控制器为一台PC机，外接打印机，其中PC机通过网络与工程控制中心相联。\n[0027] 下位机结构，如附图2所示，最小系统部分，人机界面部分(键盘与液晶显示器)，外扩EPROM部分，复位模块部分，电机控制部分，信号采集部分，与CAN总线的接口部分。最小系统包括中央处理器C8051F040，三路独立电源输出模块，外部起振电路。其中，[0028] 电源模块，由220v交流引进，通过变压器转换出三路独立的电源，三路电源分别整流滤波后然后再稳压成需要的电压，最后三路电源在最后供地，这样做的目的是将数字供电和模拟供电分开，以提高系统的稳定性，同时也可以减少电源对A/D和D/A转换的干扰，提高转换精度，结果证明效果很好；\n[0029] CAN驱动器，选用Philips公司的TJA1050与总线相连，TJA1050是Philips公司生产的高速CAN总线驱动器，该器件提供了CAN控制器与物理总线的接口，并实现了CAN总线的差分发送和接收功能以及很好的抗电磁辐射及防短路能力，为了提高CAN节点的抗干扰能力，在CAN收发引脚CANTX、CANRX与CAN收发器之间加入了光电耦合器6N137；\n[0030] LCD液晶模块，由模拟口方式控制，以C8051F040的P1.0～P1.5模拟控制总线，P2口作I/O数据总线，分别与LCD的控制口和数据口相连，为内置T6963C控制器型的240×128液晶，所述的内置T6963C控制器型的液晶显示模块的驱动控制系统是由液晶显示控制器T6963C及其周边电路，行驱动器组，列驱动器组以及液晶驱动偏压电路组成；\nT6963C最大特点是具有独特的硬件初始值设置功能，显示驱动所需的参数如占空比系数、驱动传输的字节数/行及字符的字体选择等均有引脚电平设置，这样T6963C的初始化在上电时就基本设置完成，软件操作就可以集中于显示画面的设计上；\n[0031] 键盘模块，选自ZLG7290，所述的ZLG7290可采样64个按键或传感器可检测每个按键的连击次数，采用ZLG7290来进行按键扫描，并将扫描结果通过I2C总线，传给单片机(只需3个引脚)可节约端口，并保证采集的可靠性；ZLG7290基本功能如下：键盘去抖动处理，双键互锁处理，连击键处理，功能键处理；所述的键盘去抖动处理是指当键被按下和放开时可能会出现电平状态反复变化称作键盘抖动若不作处理会引起按键盘命令错误所以要进行去抖动处理以读取稳定的键盘状态为准；所述的双键互锁处理是指当有两个以上按键被同时按下时ZLG7290只采样优先级高的按键优先顺序为(S1＞S2＞…＞S64，如同时按下S2和S18时采样到S2)；所述的连击键处理是指连击次数计数器(RepeatCnt)可区别出单击(某些功能不允许连击如开关)或连击；判断连击次数，可以检测被按时间以防止某些功能误操作；所述的功能键处理是指功能键能实现2个以上按键同时按下来扩展按键数目或实现特殊功能如PC机上的“Shift、Ctrl、Alt”键典型应用；\n[0032] 数据采集的部分，包含三路模拟信号(电机电压、输出扭矩及温度)经由相应传感器的接口再经AD620放大后均以差分方式输入AD模块信号，光电编码器信号有下位机芯片自带的定时器模块采集；本系统采用了C8051F040内部自带的12位A/D转换器，这样简化了硬件电路同时又方便了软件编程，C8051F040的ADC0子系统包括一个9通道的可编程模拟多路选择器(AMUX0)，一个可编程增益放大器(PGA0)和一个100ksps、12位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，ADC中集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器；本设计中的一路数字量输入用以监测电机的转速，数字信号由光栅编码器采集，将光栅编码器与电机主轴相连，电机每转一周，光栅编码器便发送1000个脉冲，脉冲信号由J4接口输入到C8051F040的P0.0引脚，该引脚也是定时器T0的脉冲输入端，将T0设为计数器工作方式来记录从P0.0输入的脉冲数，将T1设为定时器工作方式，定时读取T0中记录的脉冲数，这样，脉冲数/(1000×定时时间)即为电机主轴转速。本系统采用1000p/r的光电编码器，其精度能够满足系统的精度要求；编码器用9v供电，有A，B，Z三路脉冲信号输出，可以实现正反的位移计数；\n[0033] 电机控制输出部分，包含模拟量输出，开关量输出与继电器输出，[0034] 模拟量输出由下位机芯片自带的12DA模块输出，控制调节电机的转速，开关量由相应的不同I/O口输出，控制电机的启动，停止以及正反转；继电器输出由P4.4控制，控制信号由P4.4引脚输出经光电耦合器输入继电器，控制电机的通断，电机可由上位机向下位机发送控制信号的方式控制，也可由下位机CPU直接控制；\n[0035] 报警装置，包含4路报警LED管由P4.0～P4.3控制，当4路监测信号中出现超标情况时，控制相应LED的通断，发出故障警示。\n[0036] 本系统的软件部分，包含上位机软件与下位机软件，上位机软件有CV++编写，同时CAN网卡和监控软件之间的接口主要由驱动程序(Lib库和DLL库)来实现，上位机对个节点的值进行实时测量、分析、节点管理、报警、数据库数据管理、报表输出和图形显示等。\n[0037] (1)节点管理\n[0038] 查询各下位机节点状态参数，经分析处理后向其反馈控制参数。\n[0039] (2)测量功能\n[0040] 主要完成对整个系统中的电机各种参数(振动、温度等)的数据采集以及记录测量的日期和时间，可以分类显示各个测量的测量结果，可以通过打印机打印输出各类测量数据报表，并将测量数据自动存储成数据库以供检索。\n[0041] (3)分析功能及报警\n[0042] 完成对测量结果的分析比较，指出各个节点中电机的振动、温度等参数的极限值和平均值等。将测量数据以图像的方式显示出来；还可以根据历史数据进行趋势分析；根据分析的结果可以实现上位机上的报警和远程的电机现场报警，同时可以随时实现对电机的远程控制。\n[0043] (4)数据管理及图形显示\n[0044] 监控软件应用了数据库管理软件SQL Server进行系统中的数据管理，使用日前较为流行的SQL引擎进行数据的查找和定位，实现了具体存储空间小、查找速度快的优点；系统中的所有的测量结果和分析结果均能够以图形的方式显示出来\n[0045] (5)报表输出\n[0046] 系统软件提供强大的报表编辑和输出功能，可以调出数据库中的各种数据在报表中进行灵活的编辑。\n[0047] 下位机软件，由移植性较好的C语言进行开发，通过在开发环境Keil中编写功能程序，并进行编译，由UEC-5通过JTAG口烧写到芯片中去，从而实现下位机智能模块的所需功能。\n[0048] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。