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基于CAN总线的监控系统设计_图文

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中文核心期刊 《微计算机信息》( 嵌入式与 S O C )2005 年第 21 卷第 7 期

基于 !"# 总线的监控系统设计
!"#$%& ’( )*+",-$#’,. /.#0"1 23#"4 ’& 567 2*#
! 武汉大学 "

杨飞 郑贵林

Yang ,Fei Zheng ,Guilin
摘 要 ! 鉴 于 目 前 基 于 #$%&’( 通 信 的 监 控 系 统 的 一 些 问 题 " 本 文 阐 述 了 用 微 控 制 器 )’*+(,- 和 现 场 总 线 技 术 实 现 基 于 +./ 总 线 的 监 控 系 统 " 还 详 细 说 明 了 #$ %010 与 +./ 总 线 转 换 器 和 基 于 +./ 总 线 的 云 台 控 制 器 的 硬 件 % 软 件 的 设 计 & 通过分析得出该监控系统的特点" 并指出其可推广应用于 其它测控领域& 关键词 !"#$ 总线 " 监控系统 " 协议转换 "%&’"()* 中图分类号 !+%,’’ 文献标识码 !# 文章编号 -*..&/.(’.0,..(1.’/..23/.2

总线各节点 " 通过双绞线组成总线型拓扑网络 " 如图 所示 & 010%+./ 网桥将上位机输出的 #$%010 信号转 换为 +./ 总线通信信号 " 信号通过 +./ 总线传输 " 以 此实现上位 机与各个基 于 +./ 总线的云 台控制器之 间的通信 " 从而远程控制云台的动作及其中的 ++L 摄 像机 & 这种系统构成与现有的基于 #$%&’( 的监控系统 的组网方式相同 " 只是原来的 010%&’( 转换器被 010% +./ 网桥替代 " 原来的基于 #$%&’( 通信的云台控制 器被基于 +./ 总线通信的云台控制器替代 "这样可最 大程度地保留现有监控网络设备 " 不改 变网络布线 " 完成监控系统从 #$%&’( 向现场总线 +./ 的升级 &

技 术 创 新

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图 - 基于 +./ 总线的监控系统构成

引言
目前 " 大多数监控系统采用的是 #$%&’( 通信 " 以 此 实 现 监 测 %控 制 信 号 的 传 输 ’但 是 随 着 对 通 信 要 求 的提升 " 其无完整的协议规约 % 系统的实时性差 % 通 讯 的可靠性低 % 后期维护成本高 % 传输距离不理想 % 应用 不灵活等缺点慢慢地暴露出来 " 这些都将对监 控网络 的延伸 % 功能强化 % 应用环境都会有所限制 & +./ 总线 作为到目前为止惟一具有国际标准的现场总线技 术 " 它的数据通信具有突出的可靠性 % 实时性和灵 活性 & 本文就此给出了一种基于 +./ 总线的监控系统 "尤其 适合应用于强干扰环境 " 并可推广嵌入应用于各种 测 控领域 &

, 硬件电路设计
0J- 010%+./ 网桥硬件电路设计 010%+./ 网桥由 +./ 总线通信控制电路 和 #$% 010 收 发 电 路 构 成 & +./ 总 线 通 信 控 制 电 路 包 括 带 +./ 控制 器的单片机 % 串行 MM#)NO%+./ 总 线 驱 动 器 % 光电隔离 模块和 L+PL+ 隔离 电 源 模 块 " 如 图 0 所
示&

* 基 于 "#$ 总 线 的 监 控 系 统 构 成
基于 +./ 总线的监控系统包括上位监控计算机 % 010%+./ 网桥 % 基于 +./ 总线的云台控制器 % 云台及 其中的 ++L 摄像机 & 在上位机安装视频解码板和视频 软件 " 用于输入显示视频信号 & 云台是一 个固定摄像 机的装置 " 有 上 % 下 % 左 % 右旋 转功能 ! 通过 控制两个 电 机 的 正 反 转 来 实 现 "& 上 位 机 的 串 行 通 信 口 与 010%

010%+./ 网桥电路原理图 ! 略可向作者索取 "& 该 网 桥 的 微 控 制 器 采 用 带 +./ 控 制 器 的 单 片 机 )’*+(,- " 其组合了 O+$%(- 系列单片机 和 +./ 控 制 器的功能 " 具有 10 个 QPN 口和 - 个 Q0+ 总线接口 & 芯 片有 )R++&& 和 SH)&& 两种封装 " 可 根据需要选 择 & KTL+ 为片内 +./ 发送器输出脚 " 其接电阻 #- 后 " 再 与光电耦合 器件 /- 连接 ’#TL+ 为 片内 +./ 接 收 器 输入脚 " 其与光电耦合器件 /0 连接 & 两个光电耦合器件 /- %/0 隔离输入 % 输出信号 " L+PL+ 隔 离 电 源 模 块 输 出 ULL 和 +V/L 为 光 电 耦
合器件及其隔离后的器件独立供电 " 使得微 控制器不 直接与 +./ 总线驱动器 KW. 相连 " 并 与总线完全 隔 离 "增强 +./ 总线节点的抗干扰能力 & +./ 总线驱动 器 选 用 KW.-X&X! 其 本 身 具 有 限 流 % 过 热 保 护 % 自 动 关 闭等功能 " & KW. 的 ( 脚为共模稳压输出端 "Y 脚和 * 脚
电话 !010-62132436 "62192616 #T/F $

+./ 网桥连接 "010%+./ 网桥与各个云台控制器构成 杨飞 : 硕士研究生
中国自控网 !http://www.autocontrol.com.cn % 1& % 120 元 / 年 邮局订阅号 !82-946 !!!

《P LC 技术应用 200 例》

嵌入式网络技术

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为 !"# 电平输入 % 输 出引脚 " 它们 与地之间接 电容 !$ %!% %!& 以滤除总线上的高频干扰并具有一定的防 电磁辐射的能力 & 瞬变电压抑制器 ’()*+,-%,$ 可抑制 瞬变电压干扰 并防止浪涌 电压对 !"# 总线 驱动器的 冲击 ’ 另外 " 在 !"# 总 线驱动器与 总线之间串 接自恢 复保险 ./%.0" 限制大电流通过 ’ 在连接 总线端 !"#1 和 !"#2 与地之间接一个气体放电防雷管 3,(" 通过 其放电消耗脉冲幅值高 % 时间短 % 能量大的浪涌波 " 实 现本地防雷击 & 为表述简洁 " 电路中的去耦电容没 有 画出 &
 

!"# 总线通信控制电路和外围功率输出电路 & 其 !"# 总线通信控制电路与 4546!"# 网桥的完全相同 " 不再 重述 & 外围功率输出电路由 - 个继电器和 5 片马达控 制驱动芯片 13&<<9 构 成 & 微控制器 - 个 >E@ 口分别 控制 - 个继电器的开合 " 以控制云台的上 % 下 % 左 % 右 % 自动旋转动作和 !!, 摄像机电源的开关 & 13&<<9 为
控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用 集成电路器件 " 可用于 4?0)6<4) 正反向电压输出 " 每 通道具有 %99F" 连续电流输出能力 & 其具有较低的输 出饱和压降 ’ 内置的钳位二极管能释放 感性负载的 反 向冲击电流 " 使它在驱动继电器 % 直流电机 % 步进 电机 或开关功率管的使用 上安全可靠 " 且其 ,>=% 或 *@=% 封装 使其使用极 其方便 & 每片 13&<<9 用两个 >E@ 口

%&%’( )*+,

-)* .+,

控制其输出正反向电压 " 三片 13&<<9 输出分别控制 !!, 摄像机镜头的光圈大小 % 变倍大小和聚焦远近的 调节 &

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4567 "-

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图 4 4546!"# 网桥硬件示意图

(7" 的 % 脚为工作模式控制引脚 " 若需要设置待
机模式 " 可直接连接到微控制器的输出端口 & 为 了简 单 " 此处直接将其接地设为普通工作模式 & 80%8- 为 终 端 匹 配 电 阻 " 各 为 -9!" 这 种 分 离 终 端 的 方 法 可 以 增强 :;! 性能 ’ 若在总线上如图 < 所 示在两端各配 置一个 <49! 的电阻 " 则在各节点都不需要另加终端 匹配电阻 & 单片机 =%$!0&< 的 >4! 接口 =<?-%=<?$ 引脚接具 有 >4! 总线接口的串行可编程 存储器 ::=8@; " 此处 选用 "(4/!94 芯片 " 可用作备份数据 " 保存产品信息 " 协议控制 " 最主要是用作站点编址 "进行地址管理 &
  /01 .2 3"-

技 术 创 新

图 5 云台控制器硬件示意图

! 系统软件设计
系统上位机监控程序 " 通常 是视频解码 板的配套 软件 "不仅有视频显示功能 " 而且有控制功能 & 用 )! % )D 或 7")" 等语言也可 以方便地编 写出 基 于 串 口 通 信的上位机监控程序 & 4546!"# 网桥和云台控制器的 程序直接烧写进微控制器 "图 / 为 4546!"# 网桥程序 流程图 " 图 0 为基于 !"# 总线的云 台控制器程 序流 程图 & 视频解码板的配套软件通常嵌有多种主流控制 协 议"云 台 控 制 器 需 要 对 应 的 协 议 分 析 子 程 序 ’若 是 使用自己编 写 的 上 位 机 监 控 程 序 "也 是 如 此 ’所 以 通 用型云台控制器要有协议判断和处理功能 &

A,( 为微控制器复位芯片 " 可选用 ;"B$90 等 " 这里选用廉价 % 体积小的 (!;%9&" 在系统上电 % 掉电 % 节电情况下 " 输出 8*( 信号让单片机可靠复位 & 网桥电路中的 8*6454 通 信 由 8*6454 电 平 转 换 芯片实现 " 此处选用体积小且省电的 *=5449 芯片 " 也 可 以 选 用 ;"B454 系 列 & *=5449 外 围 有 0 个 电 容 *=!<%*=!4 %*=!5 %*=!/%*=!0C 一 边 与 =%$!0&< 的 串 行输入口 =5?9 % 串行输入 口 =5?< 相 连 " 另 一 边 与 ,D& 针母头相连 " 方便直接插入计算机的 !@; 口 & 该网桥
设计采用贴片封装元件和小型器件 " 具有元件少 % 体 积小的特点 " 方便携带和使用 &

4546!"# 网 桥 不 仅 可 以 将 8*6454 信 号 转 换 为 !"# 信 号 " 程 序 流 程 图 如 图 / 所 示 " 而 且 可 以 将 通 过 相应的程序实现 !"# 信号转 8*6454 信号 " 使网桥透
明化 & 通过读串行 ::=8@; 程序 " 云台控制器可以识别 各自的地址 ’ 通过对上位机控制信号 的分析子程 序和
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4?4 基于 !"# 总线的云台控制器 如图 5 所示 " 基于 !"# 总线的云台 控制器 包 括
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《嵌入式系统应用精选 200 例》

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写串行 !!"#$% 子程序 " 可以对各云台控制器进行编 址和改址 %

感器 8 信号和控 制雨刷 ’ 灯光 等其他辅助 设 备 " 实 施 对 目标的综合监控和管理 " 甚至可以整 合监控以外 的系 统 " 例如数据采集系统 % 此外由于微 控制器和总 线驱 动器都支持待机睡眠模式 " 所以还具有节电 能力 % 与 常用的 %*.)-5 系列单片机加 *+: 控制器方案相比 " 该系 统具有简 化 应 用 设 计"体 积 小"方 便 嵌 入 应 用 和





 

更高可靠性的优点 & 若再计算系统后期维 护成本 " 则 其成本略高的劣势将不明显 % 本系统不仅可以应用于 监控 "还可以方便地推广应用于其它测控领域 %
参考文献 E5F 阳宪惠 G 魏庆福 " 等 H 现场总线技术及其应用 E%FH 北京 I 清华大学出版社 G

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5<<<H E9F 饶运涛 " 等 H 现场总线 *+, 原理与应用技术 E%FH 北京 I 北京航空航天大 学出版社 "966(H E(F 王幸之 " 等 H 单片机应用系统抗干扰技术 E%FH 北京 ! 北京航空 航 天 大 学 出版社 "9666H



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作者简介 ! 杨飞 G #5</5H& ! ( 男 " 汉族 " 武汉大学自动化 系 硕 士 研 究 生 "主 要 从 事 测 控 网 络 ’工 业 信 息 化 技 术 等 方 面 的 研 究 &J)7KLM !NOPQRSTUVVW4OXPHYO7G 郑 贵 林 )5<=(H=) ( 男 " 汉 族 " 武 汉 大 学 自 动 化 系 教 授 " 博 士 生 导师 G 现主要从事检测传感技术 ’ 工业自动化等领域的 研究 H

技 术 创 新

.!/0123 456 78 9:;<2=

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图 & ’(’)*+, 网桥程序 流程图

图 - 基于 *+, 总线云台控制器 程序流程图

此外 " 由于 *+, 总线通信采用多主对等方式 " 各 云台控制器之间能相互通信 " 且通过设置验收 滤波器 和报文标识符 " 对各云台控制器设定优先级 和分组控 制 " 可以灵活地对监控系统进行设置管理 %

! 结束语
基 于 *+, 总 线 通 信 方 式 与 传 统 #.)&/- 通 信 方 式相比 " 具有通信距离远 0 通信速率为 -1234 时可达 56178" 数据传输率高 " 可靠性极高 " 抗干扰能力强 " 具 有非破坏性总线仲裁 " 支持竞争 " 后期维护成本低 " 可 靠 的 错 误 处 理 和 检 错 机 制 "通 讯 失 败 率 低 "总 线 利 用 率高 "网络调试容易等优点 % 虽然本系统 *+, 总线通 信速率受到上位机 #.)9(9 通信速率的制约 " 但是用 于基于上位机串口通信的系统不存在问题 " 而且最大 程 度地保护了已 有 设 备 投 资 "改 善 了 通 信 性 能 "加 强 了控制功能 " 实现了系统向现场总线的升级 % 该 监 控 系 统 也 可 采 用 %*. )-5 系 列 单 片 机 加 *+: 控 制 器 的 *+: 总 线 通 信 解 决 方 案 " 考 虑 到 带

"#$%&’ (’)*+ ),$’&-#.$)&,/ ZKQRG[VLG 7KMVG 2OUQ LQ 5</5G \XV ]KQ QK\LOQKML\NG @PXKQ ^QL_VU4L\NG 3O4\) RUK‘PK\VG UV4VKUYX OULVQ\K\LOQI 7VK4PULQR KQ‘ YOQ\UOMMLQR QV\aOUbG LQ‘P4\ULKM LQTOU7K\LOQ \VYXQOMORNcdXVQRGePLMLQG 7KMVG 2OUQ LQ 5<=AG \XV fKQ QK\LOQKML\NG @PXKQ ^QL_VU4L\NG 3UOTV44OUG ‘OY\OU \P\OUG UV4VKUYX OULVQ\K\LOQI 7VK4PUV KQ‘ 4VQ4OU \VYXQOMORNG LQ‘P4\ULKM KP\O7K\LOQH 0123345 湖北武汉 武汉大学自动化系6杨飞 郑贵林 78*9:’$;*,$ &+ "#$&;:$)&,< =#%:, >,)?*’@)$A< =#%:, B23345< C%),:6D:,E<F*) G%*,E<H#)I), 联系地址 !7B23345 武汉 大学工学部 动力与机械 学院 32 级硕 2 班 J 杨飞 或 K7LM3LM3 广州市同 和 路 梅 花 园 梅 园 山 庄 广 州 军 区 干部培训中心三川公司6 杨 飞
0 投稿日期 I966&H55H9-8 0 修稿日期 I966&H59H5-8
# 接第 /< 页 ( E9Fgh.A96*=666 "VUL3XVUKM4 #VTVUVQYV ePL‘VG[V2UPKUN 9665

作者简介 I 刘朋 G #5</6H59) (" 男 # 汉 (" 山东省济宁市人 " 在读硕士研究生 % 研究方向 ! 计算机控制与仿真 % 王卫 红 G #5<=/) (" 女 # 汉 族 (" 黑 龙 江 哈 尔 滨 人 " 博 士 " 副 教 授 "研究方向 ! 计算机控制与仿真技术 &智能控制 % #M333N2 北 京 航 空 航 天 大 学 自 动 化 科 学 与 电 气 工 程 学院 (刘 朋 王卫红

*+: 控制器的单片机 "/;*-<5" 具有 5=1> 内部程序 存储器 "-5’ 字节片内数据 #+%" 一般不需要扩展外 部 存 储 器 "更 适 合 应 用 于 强 干 扰 环 境 &且 具 有 = 路 模 拟输入的 56 位 +?* "’ 个 / 位分辨率的脉宽调制输出 0"@%8 和 A’ 个 BCD 口 " 极 易 用 来 作 为 输 入 输 出 通 道 " 例如接入其他传感器 0 例如烟雾传感器和红外探测传
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OP,@$)$#$* &+ "#$&;:$). C&,$’&I< Q>"" >,)?*’@)$A< Q*)R),E M333N2< C%),:6 S)#<T*,E =:,E<=*)%&,E
通信地址 !

7M333N2 北京航空航天大学 MUV2 信箱6 刘 朋
0 投稿日期 I966&H55H9-8 0 修稿日期I966&H59H&8

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