基于單片機(jī)AT89C51和CAN控制器實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1. 引言

許多現(xiàn)在正在使用的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)測試平臺都是通過儀表讀數(shù)來分析、判斷一臺柴油發(fā)動(dòng)機(jī)測試時(shí)的工作狀態(tài)，不僅效率低、精度差，而且綜合分析判斷能力有限。為了能夠更加全面、直觀地了解柴油發(fā)動(dòng)機(jī)測試過程，迅速發(fā)現(xiàn)并排除故障隱患，使測試操作人員提高分析判斷能力，結(jié)合企業(yè)技術(shù)改造，我們開發(fā)了基于CAN現(xiàn)場總線的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對多臺柴油發(fā)動(dòng)機(jī)測試過程的監(jiān)控與測試。

2. 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的測試要求，本系統(tǒng)主要完成對柴油發(fā)動(dòng)機(jī)測試過程中各種傳感信號的處理以及柴油機(jī)工況數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)通過CAN總線送上位機(jī)，要求處理16路模擬信號、16路I/O信號。采集的參數(shù)主要有：機(jī)油壓力和溫度、冷卻水溫度、進(jìn)排氣溫度、燃油液位、啟動(dòng)蓄電池電壓、轉(zhuǎn)速等。

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)測試系統(tǒng)的關(guān)鍵是引入了CAN總線技術(shù)，形成基于CAN總線的分布式測控體系模型，由于CAN總線作為現(xiàn)場總線的類型之一，屬于開放式底層控制網(wǎng)絡(luò)，是應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機(jī)化測量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，因此基于CAN總線的分布式測控系統(tǒng)是開放式的，而不是封閉和專用的。這種測試系統(tǒng)將監(jiān)控功能分散到每個(gè)試車臺，每個(gè)試車臺均由一個(gè)CAN智能節(jié)點(diǎn)完成監(jiān)控任務(wù)。每個(gè)CAN總線節(jié)點(diǎn)的組成是相同的，都包括：主控單元、CAN總線通信管理單元、數(shù)據(jù)采集與處理單元等。各節(jié)點(diǎn)通過CAN總線與上位機(jī)相連，通過總線完成彼此間的通信。

3. 測試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)測試系統(tǒng)采用兩級分布式結(jié)構(gòu)。上位機(jī)采用PC機(jī)，在上位機(jī)的PCI總線插槽中安裝了PC-CAN總線適配卡，這樣就可以通過CAN總線將上、下位機(jī)聯(lián)系在一起構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)。下位機(jī)控制器采用單片機(jī)AT89C51和CAN總線控制器SJA1000共同組成的智能節(jié)點(diǎn)，它們直接對各現(xiàn)場設(shè)備（如：傳感器、繼電器、電機(jī)等進(jìn)行控制，采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并根據(jù)接收到的命令或者主動(dòng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線。

通過事先設(shè)置驗(yàn)收碼和驗(yàn)收屏蔽碼可以控制智能節(jié)點(diǎn)從總線上接收哪些數(shù)據(jù)或命令。如果某些數(shù)據(jù)需要進(jìn)一步復(fù)雜的處理（如動(dòng)態(tài)顯示），則上位計(jì)算機(jī)可以從總線上接收數(shù)據(jù)。當(dāng)上位機(jī)需要對某個(gè)節(jié)點(diǎn)施加控制動(dòng)作時(shí)，可以采用點(diǎn)對點(diǎn)方式與該節(jié)點(diǎn)通訊，而當(dāng)它要同時(shí)對所有節(jié)點(diǎn)施加控制動(dòng)作時(shí)，可以采用廣播方式將命令發(fā)送到總線。這樣當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)完全可以沒有上位機(jī)的參與，大大減少了數(shù)據(jù)的傳輸量，同時(shí)提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要涉及上位機(jī)中的PC-CAN適配卡以及下位機(jī)CAN智能節(jié)點(diǎn)。這里重點(diǎn)分析CAN智能節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)組成。

在圖2CAN智能節(jié)點(diǎn)中，核心器件是CAN總線控制器SJA1000、CAN總線驅(qū)動(dòng)器82C250以及單片機(jī)AT89C51。AT89C51主要有兩方面的任務(wù)：一是負(fù)責(zé)對CAN控制器SJA1000的初始化，并通過控制SJA1000實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務(wù);二是負(fù)責(zé)對現(xiàn)場信號的采集以及對現(xiàn)場設(shè)備的控制。

SJA1000是Philips公司的CAN控制器，它實(shí)現(xiàn)了CAN總線網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層功能，通過對其編程，微處理器可以設(shè)置它的工作方式，控制它的工作狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，把應(yīng)用層建立在它的基礎(chǔ)之上。在本設(shè)計(jì)中，為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，采用SJA1000的具有光電隔離的CAN總線接口。SJA1000的發(fā)送輸出端TX0與接收輸入端RX0、RX1分別經(jīng)高速集成光電耦合器6N137隔離后與CAN總線接口驅(qū)動(dòng)芯片82C250的TXD和RXD相連，82C250則直接與CAN物理總線相連。

上位機(jī)監(jiān)控軟件采用組態(tài)軟件進(jìn)行開發(fā)。組態(tài)軟件作為用戶可定制功能的軟件平臺工具，是隨著分布式控制系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的日趨成熟而發(fā)展起來的

當(dāng)前，隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的逐步推廣，現(xiàn)場總線和開放系統(tǒng)已成為組態(tài)軟件成長所依賴的外部環(huán)境，這使得組態(tài)軟件更易于與眾多的輸入/輸出設(shè)備連接，從而促進(jìn)了組態(tài)軟件在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過對現(xiàn)有組態(tài)軟件性能及價(jià)格的比較，同時(shí)結(jié)合本技改項(xiàng)目的實(shí)際需要，選擇國產(chǎn)“世紀(jì)星”組態(tài)軟件來開發(fā)CAN總線系統(tǒng)的監(jiān)控程序。為了將上位機(jī)人機(jī)界面程序與下位機(jī)數(shù)據(jù)采集與交換程序有機(jī)地結(jié)合起來，我們把臨控程序分成兩部分，即：將服務(wù)器-客戶機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)用到CAN總線控制系統(tǒng)的組態(tài)軟件設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)以人機(jī)界面程序作為客戶機(jī)端程序，以與硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的程序作為服務(wù)器端程序。

（2） 下位機(jī)軟件：

每個(gè)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺作為CAN總線的一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，通過CAN通信接口將各試車臺的檢測狀態(tài)和控制結(jié)果等信息向上位機(jī)傳送，并隨時(shí)準(zhǔn)備接收上位機(jī)的控制指令。下位機(jī)控制程序采用模塊化編程，包括CAN總線通信管理模塊、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控模塊、A/D巡檢采樣及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存模塊、I/O開關(guān)量信號處理模塊等。其中，CAN節(jié)點(diǎn)通信模塊部分至關(guān)重要，它關(guān)系到整個(gè)分布式控制網(wǎng)絡(luò)能否正常工作。CAN節(jié)點(diǎn)通信模塊由CAN初始化子程序、CAN中斷程序和CAN數(shù)據(jù)收發(fā)子程序組成，如圖4所示。

4. 結(jié)束語

本論文的研究內(nèi)容在圍產(chǎn)135系列柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的試車臺上已經(jīng)過試驗(yàn)并運(yùn)行良好，實(shí)踐表明：基于CAN總線的分布式測試系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有配置靈活簡單、成本低、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)和可擴(kuò)充性好等優(yōu)點(diǎn)，可以對柴油機(jī)的測試過程進(jìn)行全面監(jiān)控，大大減少了測試時(shí)間，改善了監(jiān)控工作條件，提高了對設(shè)備的科學(xué)化管理，對某些故障還能夠及早發(fā)現(xiàn)，防止滯后處理所造成的損失。

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