王圣旭等

摘 要： 為了解決信號在遠距離傳輸過程中容易受到干擾的問題，在此提出一種基于CAN總線的某型火箭炮隨動系統(tǒng)故障檢測裝置的設計方案，重點講述了CAN總線通信模塊及與之相關的數據采集模塊的軟硬件設計。通過對隨動系統(tǒng)液壓、氣壓、電壓等工況參數的測量及故障診斷專家系統(tǒng)的推理，該裝置可實現以自動故障診斷為主、人工診斷為輔的故障檢測。整個系統(tǒng)簡潔緊湊、具有較強的抗干擾能力和實時性。這種CAN總線通信方案不但可用于隨動系統(tǒng)故障檢測裝置的研發(fā)，還可推廣至其他模擬量信號的機電設備故障檢測，尤其是多機組的分布式狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中，具有非常實用的應用前景。

關鍵詞： CAN總線； 隨動系統(tǒng)； 故障檢測； 數據采集

中圖分類號： TN919?34； TP274.2 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）08?0128?04

Design of CAN bus based fault detection device for a certain servo system

WANG Sheng?xu， YOU Fan， CHEN Min， WANG Qiang， MENG Xiang?ming

（Unit 63981 of PLA， Wuhan， 430311， China）

Abstract： In order to solve the problem that signal is easily disturbed during its long distance transmission， in this paper， a design scheme of the CAN bus based fault detection device is proposed for a certain type of rocket launcher servo system. The CAN bus module and the related data acquisition modules software and hardware design. Through the measurement of the condition parameters such as hydraulic， air pressure and voltage of servo system， and the reasoning by the fault diagnosis expert system， this device can realize the fault detection which is completed by automatic diagnosis primarily， and if necessary supported by the artificial diagnosis. With strong ability of anti?interference and real?time， the CAN bus based communication scheme not only can be applied to the research and development， but also can be extended to the fault detection for other analog signal electromechanical equipments， especially to the multiunit distributed state monitoring and fault diagnosis.

Keywords： CAN bus； servo system； fault detection； data acquisition

某型火箭炮隨動系統(tǒng)的主要功能是根據火控系統(tǒng)輸出的射擊諸元將定向器調整到位，是實現火箭炮自動操瞄的關鍵部分，關乎武器系統(tǒng)能否發(fā)揮到最大威力，因此有必要研制一款故障檢測裝置，以實現對隨動系統(tǒng)各部件的快速故障檢測。在隨動系統(tǒng)的實際故障檢測中，隨動系統(tǒng)結構復雜，需要采集的信號路數較多，且檢測裝置可能距離火箭炮發(fā)射車較遠，信號在遠距離傳輸過程中容易受到各種各樣的干擾，而CAN總線是一種實時控制的串行通信網絡，具有可靠性高、傳輸速度快、受干擾概率低、實時性強等特點[1?2]，基于這些原因本文提出了基于CAN總線的某型火箭炮隨動系統(tǒng)故障檢測裝置的設計思想。

1 總體設計方案

本設計采用CAN總線作為數據采集與系統(tǒng)控制的通信方式，以ATMEL公司生產的AT91SAM9263 ARM芯片為主控單元，結合A/D轉換技術、故障診斷專家系統(tǒng)實現某型火箭炮隨動系統(tǒng)的故障檢測?？傮w設計框圖如圖1所示。

數據采集單元由信號調理模塊和A/D轉換模塊組成，其中信號調理模塊用于模擬信號的放大、濾波和提高電路負載能力，A/D轉換器完成模擬信號向數字信號的轉換，ARM主控單元實現系統(tǒng)控制與故障診斷，數據采集單元與ARM系統(tǒng)控制與故障診斷模塊之間以CAN 總線的方式進行通信，工作人員通過操作觸摸屏顯示界面完成故障檢測。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 數據采集單元

數據采集單元由信號調理電路和A/D轉換模塊組成，用于采集某型號火箭炮隨動系統(tǒng)液壓泵、高平機等被測部件的液壓或氣壓的狀態(tài)信號，其結構圖如圖2所示。

信號調理電路如圖3所示，采用OP27運算放大器進行設計，它的作用是把傳感器輸入的信號進行放大，同時利用其輸入阻抗高、輸出阻抗小的特點以滿足A/D轉換芯片對驅動源阻抗的要求。

A/D轉換電路將經過信號調理模塊調理后的模擬信號轉換為數字信號，文中選用TLC2543CN和STC89C52分別作為A/D采樣芯片和微控制器[3]，其設計如圖4所示。TLC2543CN是TI公司生產的12位串行模/數轉換器，使用電容開關逐次逼近技術，12位分辨率，10 μs的轉換時間，11路模擬輸入，輸出數據長度可通過編程調整[4]。A/D轉換模塊與51單片機之間以I2C總線的方式進行通信，只需要一條串行數據線SDA（DATA_OUT）和一條串行時鐘線SCL（CLOCK），具有接口線少，控制方式簡單，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點。

經信號調理后的11路模擬量數據分別通過端口NO0?NO10進入TLC2543CN進行A/D轉換，TLC2543CN通過[CS]，DATA_INPUT，DATA_OUT，MEOC，I/O CLOCK這5個引腳與STC89C52單片機進行通信。為了減小外界環(huán)境及器件本身引入的噪聲和擾動，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在這5個信號與單片機之間進行光電耦合隔離處理。由于光信號的傳送不需要共地，所以可將光耦器件兩側的地加以隔離，達到提高系統(tǒng)信噪比的作用，光耦隔離器件選用Avago Technologies 生產的6N137，電路如圖5所示。需要注意的是，電路板中6N137兩端的電源不能共用，否則起不到隔離的作用。

2.2 CAN總線通信模塊

數據采集單元和ARM系統(tǒng)控制與故障診斷模塊之間以CAN總線的方式進行數據通信和控制。CAN總線具有可靠性高、實時性強、較強的抗電磁干擾能力、傳輸距離遠等特點，尤其適用于隨動系統(tǒng)傳感器多、各檢測點信息交換頻繁和干擾源復雜的情況。CAN總線通信模塊的實現有2種解決方案[5]：一類是采用帶有片上CAN的微處理器，如Philips的80C591/592/598、Atmel的AT90CAN128/64/32等；另一類是采用獨立的CAN控制器，如Philips的SJA1000?？紤]到應用的靈活性，本文采用獨立的CAN控制器SJA1000。CAN總線通信模塊結構框圖如圖6所示，選用STC89C52單片機作為CAN總線通信模塊的微控制器，CAN總線控制器和收發(fā)器分別選用Philips公司生產的SJA1000和PCA82C250[6]。CAN總線規(guī)范采用三層結構模型，STC89C52單片機用以實現應用層的功能，SJA1000和PCA82C250則分別對應于數據鏈路層和物理層。為了增強CAN總線通信模塊的抗干擾能力，在CAN控制器與CAN收發(fā)器之間進行光電耦合隔離處理，與數據采集單元一樣，本文也選用6N137進行處理。

CAN總線通信模塊接口電路主要由4部分組成：微控制器STC89C52、獨立CAN控制器SJA1000、光電隔離器件6N137和CAN總線收發(fā)器PCA82C250。微控制器STC89C52用于數據處理、實現對SJA1000的初始化、通過對SJA1000的控制實現數據接收和發(fā)送等通信任務；獨立CAN控制器SJA1000和收發(fā)器PCA82C250經過簡單總線連接可實現數據鏈路層和物理層的全部功能。STC89C52通過DATA_INPUT向TLC2543CN發(fā)送一定格式的指令，在DATA_OUT引腳可獲取到A/D轉換的數據；由于SJA1000的數據線與地址線是共用的，所以將STC89C52的P0口與AD0?AD7直接連接的同時，還要將地址鎖存信號線ALE進行連接，以便區(qū)分在同一時刻AD線上傳遞的是地址還是數據；SJA1000的中斷管腳INT連接單片機的外部中斷INT0；MODE管腳與高電平VCC連接以選擇Intel模式；為了保證上電復位的可靠，復位電路采用IMP708芯片進行智能控制，IMP708芯片集看門狗定時器、掉電檢測電路、電源監(jiān)控電路等于一體，保證SJA1000芯片的可靠運行；RX0和TX0是數據的收發(fā)管腳，經光電耦合器件6N137后連接到CAN收發(fā)器上，用以電氣隔離；PCA82C250有3種工作模式：高速、斜率控制和待機，本文選擇斜率控制模式，通過在Rs引腳與地之間接一個100 kΩ的電阻來實現；為了消除在通信電纜中的信號反射，提高網絡節(jié)點的拓撲能力，需要在CAN總線兩端接入兩個120 Ω的終端電阻[5]。

2.3 系統(tǒng)控制與故障診斷模塊

數據處理與系統(tǒng)控制模塊采用ATMEL公司生產的AT91SAM9263 ARM芯片作為主控單元，以觸摸屏作為人機交互方式完成系統(tǒng)控制和故障診斷。AT91SAM9263主頻 200 MHz；內置CAN總線控制器，全面支持CAN2.0A和CAN2.0B協議；內置TFT/STN LCD控制器，支持3.5～17英寸TFT?LCD 液晶屏，最高分辨率可達2 048×2 048?？紤]到系統(tǒng)的可擴展性，本文將系統(tǒng)控制與故障診斷模塊單獨成板。技術保障人員可以通過操作觸摸屏上顯示的人機交互界面完成對隨動系統(tǒng)的故障檢測。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要分為A/D轉換模塊、數據處理模塊、CAN總線通信模塊和系統(tǒng)控制與故障診斷模塊4部分。主流程圖如圖7所示，首先對STC89C52單片機進行初始化，包括CAN總線工作方式的選擇、驗收濾波方式的設置、驗收屏蔽寄存器和驗收代碼寄存器的設置、波特率參數設置、中斷允許寄存器的設置以及A/D轉換模塊的初始化等；當單片機接收到故障檢測命令時，進行A/D采樣，然后由單片機對采集到的數據進行處理，通過量值轉換得到實際的工況數據；最后由CAN總線通信模塊將數據傳輸到系統(tǒng)控制與故障診斷模塊進行故障檢測，診斷結果由觸摸屏顯示以指導維修人員進行現場維修。

3.1 A/D轉換模塊軟件設計

A/D轉換模塊程序設計流程圖如圖8所示。

3.2 數據處理模塊軟件設計

數據采集過程中難免受到噪聲的影響，為了保證采到數據的準確性，可以對其進行一定的算法處理。本文在故障檢測時，對同一采樣點進行5次采樣，然后用快速排序算法對這5個數據進行排序，取中值作為故障檢測的有效數據，以減小誤差帶來的影響。采集到的數據與實際值之間成嚴格的線性關系，將采集到的數據值乘以系數K即可獲得實際的工況數據，其流程圖如圖9所示。

3.3 CAN總線通信模塊軟件設計

CAN總線通信模塊的程序設計主要分為初始化、數據發(fā)送和數據接收3個部分：

（1） 初始化。CAN總線初始化主要是對通信參數進行設置，通過對時鐘分頻寄存器、驗收碼寄存器、驗收屏蔽寄存器、總線定時寄存器和輸出控制寄存器的配置實現對CAN總線工作模式、接收報文的驗收碼、驗收屏蔽碼、波特率和輸出模式的配置和定義[7]。值得注意的是，這些寄存器的配置需要在復位模式下進行，因此在初始化前應確保系統(tǒng)已進入復位狀態(tài)。

（2） 數據發(fā)送。本文采用查詢方式，進行CAN總線的數據發(fā)送，首先應將CAN總線的發(fā)送中斷禁能。發(fā)送數據前，主控制器輪詢SJA1000狀態(tài)寄存器的發(fā)送緩沖器狀態(tài)位TBS以檢查發(fā)送緩沖器是否被鎖定，若發(fā)送緩沖器被鎖定，則CPU等待，直到發(fā)送緩沖器被釋放，然后將從現場采集到的數據發(fā)送到發(fā)送緩沖區(qū)并置位命令寄存器的發(fā)送請求位TR，此時SJA1000將向總線發(fā)送數據。數據發(fā)送流程圖如圖10所示。

（3） 數據接收。同數據發(fā)送一樣，本文采用查詢方式進行數據的接收，也應將CAN總線的發(fā)送中斷禁能。主控制器輪詢SJA1000狀態(tài)寄存器接收緩沖狀態(tài)標志RBS以檢查接收緩沖器是否已滿，若未滿則主控制器繼續(xù)當前的任務直到檢查到接收緩沖器已滿，讀出緩沖區(qū)中的報文，然后通過置位命令寄存器的RRB位釋放接收緩沖器內存空間。數據接收流程圖如圖11所示。

3.4 系統(tǒng)控制與故障診斷模塊軟件設計

系統(tǒng)控制與故障診斷模塊是在Linux平臺下利用Qt SDK開發(fā)完成的，數據庫采用嵌入式系統(tǒng)中廣泛采用關系型數據庫SQLite[8]。軟件采用模塊化設計思想，包括顯示界面、系統(tǒng)控制、檢測數據庫和故障診斷等4部分。系統(tǒng)界面基于QT/GUI開發(fā)，用于故障檢測結果顯示、調取數據庫輔助人工診斷等人機交互；系統(tǒng)控制模塊用于系統(tǒng)啟動與關閉、初始化及多線程處理；檢測數據庫用于對專家系統(tǒng)中經驗知識、故障診斷規(guī)則集進行組織、檢索和維護，及用于存儲系統(tǒng)采集的工況參數；故障診斷模塊是該檢測裝置核心，本文利用故障診斷專家系統(tǒng)對隨動系統(tǒng)進行故障診斷，給出診斷結果。考慮到故障診斷的實時性要求，程序采用多線程編程來實現。

圖10 CAN總線數據發(fā)送程序設計流程圖

圖11 CAN總線數據接收程序設計流程圖

4 結 語

為了測試隨動系統(tǒng)故障檢測裝置在各種情況下的故障檢測能力， 本文通過人為制造故障的方式對該系統(tǒng)進行了大量實驗。在反復的實驗中，該系統(tǒng)均能正確定位故障，充分驗證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。本文研制的以AT91SAM9263 ARM芯片為核心基于CAN總線隨動系統(tǒng)故障檢測裝置，可實現對隨動系統(tǒng)液壓、氣壓、電壓等工況參數的測量，經故障診斷專家系統(tǒng)的推理，實現以自動故障診斷為主、人工診斷為輔的故障檢測。文中采用的CAN總線通信方式使整個系統(tǒng)簡潔緊湊、具有較強的抗干擾能力和實時性，這種CAN總線通信方案不但可用于隨動系統(tǒng)故障檢測裝置的研發(fā)，還可推廣至其他模擬量信號的機電設備故障檢測，尤其是多機組的分布式狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中，具有非常實用的應用前景。

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