CN111338274A - 基于can总线数字量闭环控制装置 - Google Patents

基于can总线数字量闭环控制装置 Download PDF

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荣宏伟
马常松
史晓清
李蕃
王麟
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Abstract

本发明公开了一种基于CAN总线数字量闭环控制装置，控制装置包括外壳和设置于外壳内的电路板组件，电路板组件包括主控单元、CAN通讯单元、执行器驱动与状态检测单元和电源管理单元；外壳上设置CAN通讯接口、供电电源接口和执行器驱动与状态检测接口。本发明提供了一种基于CAN总线数字量闭环控制装置，具备就地控制、远程监控、地址存储、状态反馈等功能，且有很高的扩展性和通用性，可应用于多节点数字量执行器闭环监控***。

Description

基于CAN总线数字量闭环控制装置
技术领域
本发明属于自动控制领域，具体涉及一种基于CAN总线数字量闭环控制装置。
背景技术
电磁气动阀、气缸、普通电机等数字量执行器被广泛应用于石油、电力、水泥、化工等工控行业，是自动化控制***的重要执行机构。这类执行器通常有以下特点：控制方式为干接点控制；带状态反馈功能。目前，市场上并没有与这类执行器相配套的控制装置，工业现场一般采用继电器开关电气控制方式，但存在如下缺点：
一、稳定性差：电缆铺设复杂，控制回路电磁干扰严重；
二、实时性差：依靠继电器触点机械动作控制，机械触点开闭动作为几十毫秒量级，会对执行器响应速度产生影响；
三、扩展性差：此种控制方式将执行器机械触点串、并联组合成逻辑控制电路，***扩展困难；
四、可维护性差：继电控制方式所需器件多，不易维护。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中数字量执行器采用继电器开关电气控制方式存在的缺点而提出的，其目的是提供一种基于CAN总线数字量闭环控制装置。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于CAN总线数字量闭环控制装置，包括外壳和设置于外壳内的电路板组件，所述电路板组件包括主控单元、CAN通讯单元、执行器驱动与状态检测单元和电源管理单元；所述CAN通讯单元一端与主控单元连接，另一端接入CAN通讯总线；主控单元与执行器驱动与状态检测单元驱动输入端连接，执行器驱动与状态检测单元驱动输出端连接数字量执行器，数字量执行器的反馈信号线与主控单元连接；电源管理单元输入端连接控制电压，输出端分别连接主控单元、CAN通讯单元和执行器驱动与状态检测单元。
在上述技术方案中，所述外壳上设置CAN通讯接口、供电电源接口和执行器驱动与状态检测接口。
在上述技术方案中，所述主控单元包括主控芯片，主控芯片的RF6引脚连接电压比较器的驱动引脚-INA，且接上拉电阻R2；RD0引脚和RD1引脚分别串联电阻R3、R4后连接数字量执行器的反馈信号端，且RD0和RD1分别串联电阻R3、R4后分别接上拉电阻R1、R5；RF0和RF1引脚分别连接CAN通讯芯片的RXD、TXD引脚；晶振的1号引脚接主控芯片的OSC1引脚，2号引脚接主控芯片的OSC2引脚，且晶振的1、2号引脚分别串联电容C1、C2后接地；主控芯片的RB0引脚串联电阻R6后连接LEDⅠ；程序下载端口的1号引脚接主控芯片的MCLR引脚，2号引脚接5V电源，3号引脚接地，4号引脚接主控芯片的RGD引脚，5号引脚接主控芯片的RGC引脚。
在上述技术方案中，所述主控芯片内部集成EEPROM存储器，完成控制装置地址存储。
在上述技术方案中，所述CAN通讯单元包括CAN通讯芯片，其TXD引脚和RXD引脚分别与主控芯片的RF1引脚和RF0引脚相连；CANH引脚和CANL引脚接于CAN通讯总线上；VSS引脚接地，VDD引脚接5V电源。
在上述技术方案中，所述CAN通讯芯片的CANH引脚和CANL引脚与地之间均并联电容。
在上述技术方案中，所述CAN通讯总线的两端连接两个终端匹配电阻。
在上述技术方案中，所述执行器驱动与状态检测单元包括执行器驱动单元和状态检测电路，所述执行器驱动单元包括就地控制开关和电压比较器，电压比较器的OutA引脚串联电阻R8后接控制电压，且OutA引脚串联电阻R7后连接数字量执行器；电压比较器的-INA引脚接主控芯片的RF6引脚，+INA引脚与R9和R10组成的分压电路的输出端连接；所述就地控制开关一端连接控制电压，另一端接入电阻R7与数字量执行器之间。
在上述技术方案中，所述状态检测电路为将数字量执行器公共端接地，其反馈信号线接主控芯片的输入端。
在上述技术方案中，所述电源管理单元包括电压转换芯片，其Vin引脚接控制电压，GND引脚接地，Vout引脚输出5V电压；Vin引脚和Vout引脚分别串联电容C4、C5后接地。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种基于CAN总线数字量闭环控制装置，可作为CAN节点接入数字量执行器监控网络，并将其状态信息上传监控***，实现数字量执行器闭环控制；具备就地控制功能，且就地控制优先级高于CAN总线控制；可存储唯一的网络识别地址；具有很高的扩展性与通用性，只需修改外部接口方式即可应用于同类型数字量执行器。
附图说明
图1是本发明基于CAN总线数字量闭环控制装置的电路结构示意图；
图2是本发明基于CAN总线数字量闭环控制装置中主控单元的电路示意图；
图3是本发明基于CAN总线数字量闭环控制装置中CAN通讯单元的电路示意图；
图4是本发明基于CAN总线数字量闭环控制装置中执行器驱动单元的电路示意图；
图5是本发明基于CAN总线数字量闭环控制装置中电源管理单元的电路示意图；
图6是应用本发明基于CAN总线数字量闭环控制装置的控制方法的流程图；
图7是应用本发明基于CAN总线数字量闭环控制装置的控制方法中CAN总线通讯的流程图。
其中：
1主控单元 2CAN通讯单元
3执行器驱动与状态检测单元 4电源管理单元
5主控芯片 6CAN通讯芯片
7就地控制开关 8电压比较器
9电压转换芯片 10CAN通讯接口
11供电电源接口 12执行器驱动与状态检测接口
13晶振 14LEDⅠ。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明技术方案，下面结合说明书附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明基于CAN总线数字量闭环控制装置的技术方案。
如图1所示，一种基于CAN总线数字量闭环控制装置，包括外壳和设置于外壳内的电路板组件，所述电路板组件包括：
主控单元1，用于控制装置的数据处理；
CAN通讯单元2，其实现控制装置与上位机的通讯；
执行器驱动与状态检测单元3，其根据上位机数据协议或就地控制开关7命令完成对数字量执行器的驱动；
电源管理单元4，其将控制电压转化为主控单元1和CAN通讯单元2所需电压。
所述CAN通讯单元2一端与主控单元1连接，另一端接入CAN通讯总线；主控单元1与执行器驱动与状态检测单元3驱动输入端连接；执行器驱动与状态检测单元3驱动输出端连接数字量执行器，数字量执行器的反馈信号线与主控单元1连接；电源管理单元4输入端连接控制电压，输出端分别连接主控单元1、CAN通讯单元2和执行器驱动与状态检测单元3；所述外壳上设置CAN通讯接口10、供电电源接口11和执行器驱动与状态检测接口12；
如图2所示，所述主控单元1包括主控芯片5。
主控芯片5的RF6引脚连接执行器驱动与状态检测单元3中的电压比较器8的驱动引脚-INA，且RF6引脚接上拉电阻R2，R2的另一端接5V电源；
主控芯片5的RD0引脚串联电阻R3后一路接数字量执行器的反馈信号端，另一路接上拉电阻R1，R1的另一端接5V电源；
主控芯片5的RD1引脚串联电阻R4后一路接数字量执行器的反馈信号端，另一路接上拉电阻R5，R5的另一端接5V电源；
R1、R5、R2的阻值均为4.7K，R3、R4均为限流电阻，且阻值均为510Ω；
主控芯片5的RF0和RF1引脚分别连接CAN通讯单元2中CAN通讯芯片6的RXD、TXD引脚；
为方便CAN通讯参数设置，晶振13选用4MHz，晶振13的1号引脚接主控芯片5的OSC1引脚，2号引脚接主控芯片5的OSC2引脚，且晶振13的1、2号引脚分别串联电容C1、C2后接地，晶振13采用C1、C2进行滤波，C1、C2滤波电容为22pF；
主控芯片5的RB0引脚串联电阻R6后连接LEDⅠ14，LEDⅠ14的另一端接地，LEDⅠ14为指示灯，电阻R6为LEDⅠ14的限流电阻，其阻值为510Ω；
程序下载端口的1号引脚接主控芯片5的MCLR引脚，2号引脚接5V电源，3号引脚接地，4号引脚接主控芯片5的RGD引脚，5号引脚接主控芯片5的RGC引脚。
所述主控单元1的主控芯片5选用Microchip公司的dsPIC30F4011芯片，该芯片是一款将单片机和DSP技术相结合的高性能16位数字信号控制器，内部集成CAN通信接口和EEPROM存储器，支持内部数据存储和CAN通讯功能。
本发明采用主控单元1的主控芯片5内部集成的EEPROM存储器完成装置地址存储，无需硬件存储电路，节约了设计成本，且满足控制装置微型化要求。
如图3所示，所述CAN通讯单元2包括CAN通讯芯片6，CAN通讯芯片6的TXD引脚和RXD引脚分别与主控芯片5的RF1引脚和RF0引脚相连；CAN通讯芯片6的CANH引脚和CANL接于CAN通讯总线上，VSS引脚接地，VDD引脚接电源管理单元4输出的5V电源。
CANH引脚和CAN引脚L挂在CAN通讯总线上，实现控制装置与上位机的通讯。
所述CAN通讯芯片6采用微星公司型号为MCP2551的CAN控制器，实现CAN总线通讯，MCP2551是一个可容错高速CAN器件，可作为CAN协议控制器和物理总线接口，完全符合ISO-11898标准，并具备上电复位和电压事件欠压保护功能。MCP2551为本发明提供了CAN控制器与物理总线之间的接口，即CAN通讯接口10。
所述CAN通讯总线两端需要连接两个终端匹配120Ω电阻，如果忽略掉它们，会使得数据通信的可靠性降低。
所述CAN通讯芯片6的CANH引脚、CANL引脚与地之间均并联30pF的小电容，可以滤除总线上高频干扰，防止电磁辐射。
如图4所示，所述执行器驱动与状态检测单元3包括执行器驱动单元和状态检测电路，所述执行器驱动单元包括就地控制开关7和电压比较器8，电压比较器8的OutA引脚串联电阻R8后接控制电压，且OutA引脚串联电阻R7后连接数字量执行器；电压比较器8的-INA引脚接主控芯片5的RF6引脚，+INA引脚与R9和R10组成的分压电路的输出端连接，R9和R10的阻值分别为6K和3K；
所述就地控制开关7一端连接控制电压，另一端接入电阻R7与数字量执行器之间。上述连接设置使得就地控制优先级高于CAN总线命令，如果SW打开，可直接输出控制信号驱动执行器动作。
所述控制电压为DC7～36V，该电压值根据数字量执行器驱动电压确定。
所述电压比较器8为LM393。执行器驱动单元通过电压比较器来实现执行器驱动。
所述执行器驱动与状态检测单元3可根据上位机数据协议或就地开关命令完成对数字量执行器的驱动，等待数字量执行器动作以后，主控单元1通过反馈信号获取执行器状态信息。由于主控单元1逻辑电平无法直接驱动数字量执行器，因而驱动电路采用LM393电压比较器来实现，LM393是双路电压比较器集成电路，与其它电路相比LM393具有响应速度快、电路结构简单等诸多优点。
状态检测电路中，数字量执行器公共端接地，反馈信号线接入主控芯片5的输入端(RD0引脚、RD1引脚)，主控芯片5的MCU根据该输入端(RD0引脚和RD1引脚)电压信号即可判断执行器状态信息。
数字量执行器信号反馈原理为：当数字量执行器开启时，其信号公共线和反馈信号线接通；当执行器关闭时，其信号公共线和反馈信号线断开。
如图5所示，所述电源管理单元4包括电压转换芯片9，其Vin引脚接控制电压(DC7～36V)，GND引脚接地，Vout引脚输出其他单元所需的5V电压；Vin引脚和Vout引脚分别串联电容C4、C5后接地。Vin、Vout引脚添加的滤波电容C4、C5，容值分别为47uF、10uF，有效降低电源干扰。
本发明控制装置采用DC7～36V供电，所述电压转换芯片9为LM7805，其实现DC7～36V至5V电压转换，以满足主控单元1和CAN通讯单元2的用电需要。LM7805系列三端稳压器极限电流为1000mA，所需***元件极少，且有过流、过热及调整管保护电路，使用可靠、方便、价格便宜。
实施例2
如图6所示，应用实施1所公开的装置，一种基于CAN总线数字量闭环控制方法，包括以下步骤：
(ⅰ)开始S1；
(ⅱ)读取装置地址S2
装置启动后首先读取本装置地址信息；
(ⅲ)CAN通讯初始化S3
装置地址读取完成，需要对CAN通讯接口、波特率以及报文种类等参数进行初始化，为CAN数据交互做准备；
(ⅳ)判断执行器是否开启S4
如果执行器开启，直接发送执行器开启应答S7，否则进入S5，查询CAN总线命令。
(ⅴ)查询CAN总线命令S5
如果收到执行器开启命令进入S6，开启执行器；如果收到执行器关闭命令进入S8，关闭执行器；如果没有收到CAN总线命令，循环等待；
(ⅵ)开启执行器S6
控制装置开启执行器；
(ⅶ)发送执行器开启应答S7
根据装置反馈信号，发送执行器开启应答；
(ⅷ)关闭执行器S8
控制装置关闭执行器；
(ⅸ)发送执行器关闭应答，
根据装置反馈信号，发送执行器关闭应答；
(ⅹ)结束。
控制装置与上位监控***之间采用CAN总线通讯，并根据设定地址接收对应的指令，解析后执行相应的操作，并按固定的数据格式上传执行器状态信息。所述查询CAN总线命令的具体通讯方法的流程如图7所示，包括以下步骤：
(ⅰ)开始S11；
(ⅱ)查询CAN邮箱是否接收到指令S12
查询本控制装置CAN邮箱是否接收到上位监控***的指令，若没有接收到则执行步骤(ⅵ)，若接收到新指令则执行步骤(ⅲ)；
(ⅲ)判断地址与装置是否匹配S13
判断指令中的装置地址是否和本装置的一致，若指令中地址与本装置地址不符则执行步骤(ⅵ)，若地址一致则执行步骤(ⅵ)。
(ⅳ)获取通讯数据并解析S14；
(ⅴ)根据指令执行相应操作并返回数据S15；
(ⅵ)结束S16。
本发明的装置可组建数字量执行器监控网络，具备CAN总线接口；装置具有扩展性和互换性，能够存储网络识别地址，并具备在线修改、在线查询识别地址功能；装置性价比高，采用主控单元的主控芯片dsPIC30F内部EEPROM存储器完成地址存储，无需外部存储器件，减少了装置硬件开发成本；装置安全性高，具备就地控制功能，且就地控制优先级高于CAN总线控制；装置具有通用性，只需更改外部接口方式即可在同类型数字量执行器上应用。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种基于CAN总线数字量闭环控制装置，包括外壳和设置于外壳内的电路板组件，其特征在于：所述电路板组件包括主控单元(1)、CAN通讯单元(2)、执行器驱动与状态检测单元(3)和电源管理单元(4)；所述CAN通讯单元(2)一端与主控单元(1)连接，另一端接入CAN通讯总线；主控单元(1)与执行器驱动与状态检测单元(3)驱动输入端连接，执行器驱动与状态检测单元(3)驱动输出端连接数字量执行器，数字量执行器的反馈信号线与主控单元(1)连接；电源管理单元(4)输入端连接控制电压，输出端分别连接主控单元(1)、CAN通讯单元(2)和执行器驱动与状态检测单元(3)。
2.根据权利要求1所述的基于CAN总线数字量闭环控制装置，其特征在于：所述外壳上设置CAN通讯接口(10)、供电电源接口(11)和执行器驱动与状态检测接口(12)。
3.根据权利要求1所述的基于CAN总线数字量闭环控制装置，其特征在于：所述主控单元(1)包括主控芯片(5)，主控芯片(5)的RF6引脚连接电压比较器(8)的驱动引脚-INA，且接上拉电阻R2；RD0引脚和RD1引脚分别串联电阻R3、R4后连接数字量执行器的反馈信号端，且RD0和RD1分别串联电阻R3、R4后分别接上拉电阻R1、R5；RF0和RF1引脚分别连接CAN通讯芯片(6)的RXD、TXD引脚；晶振(13)的1号引脚接主控芯片(5)的OSC1引脚，2号引脚接主控芯片(5)的OSC2引脚，且晶振(13)的1、2号引脚分别串联电容C1、C2后接地；主控芯片(5)的RB0引脚串联电阻R6后连接LEDⅠ(14)；程序下载端口的1号引脚接主控芯片(5)的MCLR引脚，2号引脚接5V电源，3号引脚接地，4号引脚接主控芯片(5)的RGD引脚，5号引脚接主控芯片(5)的RGC引脚。
4.根据权利要求3所述的基于CAN总线数字量闭环控制装置，其特征在于：所述主控芯片(5)内部集成EEPROM存储器，完成控制装置地址存储。
5.根据权利要求1所述的基于CAN总线数字量闭环控制装置，其特征在于：所述CAN通讯单元(2)包括CAN通讯芯片(6)，其TXD引脚和RXD引脚分别与主控芯片(5)的RF1引脚和RF0引脚相连；CANH引脚和CANL引脚接于CAN通讯总线上；VSS引脚接地，VDD引脚接5V电源。
6.根据权利要求5所述的基于CAN总线数字量闭环控制装置，其特征在于：所述CAN通讯芯片(6)的CANH引脚和CANL引脚与地之间均并联电容。
7.根据权利要求5所述的基于CAN总线数字量闭环控制装置，其特征在于：所述CAN通讯总线的两端连接两个终端匹配电阻。
8.根据权利要求1所述的基于CAN总线数字量闭环控制装置，其特征在于：所述执行器驱动与状态检测单元(3)包括执行器驱动单元和状态检测电路，所述执行器驱动单元包括就地控制开关(7)和电压比较器(8)，电压比较器(8)的OutA引脚串联电阻R8后接控制电压，且OutA引脚串联电阻R7后连接数字量执行器；电压比较器(8)的-INA引脚接主控芯片(5)的RF6引脚，+INA引脚与R9和R10组成的分压电路的输出端连接；所述就地控制开关(7)一端连接控制电压，另一端接入电阻R7与数字量执行器之间。
9.根据权利要求8所述的基于CAN总线数字量闭环控制装置，其特征在于：所述状态检测电路为将数字量执行器公共端接地，其反馈信号线接主控芯片(5)的输入端。
10.根据权利要求1所述的基于CAN总线数字量闭环控制装置，其特征在于：所述电源管理单元(4)包括电压转换芯片(9)，其Vin引脚接控制电压，GND引脚接地，Vout引脚输出5V电压；Vin引脚和Vout引脚分别串联电容C4、C5后接地。
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