CN201383092Y

CN201383092Y - 基于can的数字量采集及脉冲信号采集模块

Info

Publication number: CN201383092Y
Application number: CN200820231599U
Authority: CN
Inventors: 刘维洋; 李砾工; 石勇
Original assignee: CNR Dalian Electric Traction R& D Center Co Ltd
Current assignee: CRRC Dalian R&D Co Ltd
Priority date: 2008-12-10
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2018-12-10

Abstract

本实用新型公开了一种基于CAN的数字量采集及脉冲信号采集模块，其特征在于包括MCU主控单元、数字量采集单元、脉冲信号采集单元、CAN物理接口单元；其中所述的数字量采集单元采集的指令信号通过降压光耦隔离送入MCU主控单元；所述的脉冲信号采集单元采集的信号通过RC滤波运算放大器整形，电阻网络降压，高速光耦隔离送入MCU主控单元的专用接口；所述的CAN物理接口单元使该模块能方便地与其他CAN设备互连。具有结构新颖、结构简单、布置维护方便，非常适用于机车及一般工业应用场合等特点，属于一种集经济性与实用性为一体的新型装置。

Description

基于CAN的数字量采集及脉冲信号采集模块

技术领域

本实用新型涉及数字量采集及脉冲信号采集的模块电路，用于机车数字量信号和速度脉冲信号的精度采集与处理，也可应用于一般工业用数字量信号和脉冲信号的采集。

背景技术

近年来随着工业自动化领域的快速发展，工业现场总线由于其可靠性高、成本低、故障率低等优点使得其应用越来越广泛，出于成本和通信性能的考虑，CAN总线在工业现场总线中占有很大的比重，尤其是在铁路机车、轻轨、地铁等轨道交通领域。

机车速度信号是机车运行中的重要状态参数，是构成机车闭环调速控制系统必不可少的反馈参量。在机车的防滑/防空转系统、机车运行状态监控等装置中，都需要实时地得到机车的运行速度信号，而且机车速度信号采集的精确度与机车操作的安全性直接相关联，因此电力机车运行速度信号的正确采集和处理对于机车的控制与操作至关重要。目前机车上普遍采用光电式速度传感器，该型传感器通过扫描和轮轴同步的光栅盘，可输出和速度成线性比例的方波信号。机车速度信号采集系统中，通常的做法是将速度传感器输出的脉冲信号进行F/V变换，即频率-电压变换，然后通过ADC采集得到速度信息，经过相应的转换得到机车的速度。但这种处理方法，在机车低速运行时，由于速度传感器输出脉冲较少，F/V变换得到的电压幅度小；而在高速时，又由于F/V变换的响应速度不够，导致机车速度采集误差大和实时性差的缺陷。

CAN是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10Km时，CAN仍可提供高达5Kbit/s的数据传输速率。CAN协议的2.0A版本规定CAN控制器必须有一个11位的标志符。同时，在2.0B版本中规定，CAN控制器的标志符长度可以是11位或29位。遵循CAN2.0B协议的CAN控制器可以发送和接收11位标识符的标准格式报文或29位标识符的扩展格式报文。如果禁止CAN2.0B，则CAN控制器只能发送和接收11位标识符的标准格式报文，而忽略扩展格式的报文结构，但不会出现错误。这为控制系统的信号采集提供了一种通过网络通信远程控制的方法。将每一个模块设定为一个网络节点，就近安装在被测对象附近，这样可以节省大量的连接电缆和其它硬件设备，简化系统结构，提高系统的功能冗余性和可扩展性，从而提高网络控制系统的整体性能。

发明内容

本实用新型的提出，目的是在C8051F040单片机上建立一个片上系统，利用C8051F040单片机的采集能力和运算处理能力，利用数字量输入采集单元及脉冲信号采集单元，以及上电完成自检测保证采集输入信号的正确性，来实现全数字化等精度测量，并通过CAN网络将采集信息传送给上层主控设备。

本实用新型的技术解决方案是这样实现的：

一种基于CAN的数字量采集及脉冲信号采集模块，其特征在于包括MCU主控单元、数字量采集单元、脉冲信号采集单元、上电自检单元和CAN物理接口单元，其中所述的数字量采集单元采集的指令信号IN1通过二极管D17，电阻R17、R18降压，稳压管D1稳压，光耦U1隔离，U17A反相整形送入MCU主控单元；所述的脉冲信号采集单元采集的信号通过RC滤波接入由运放LM224及电阻R5、R7、R13组成滞回比较电路，A点电压到达某一定值时，运放LM224输出翻转成低电平，A点电压下降到另一定值时，运放LM224输出高电平，电压在俩定值之间时运放LM224输出电平保持不变；A点电压由R1、R3分压所得，B点电压再通过电阻降压，通过光耦U2隔离接入主控单元MCU的专用接口P0.0和P0.1；所述的自检单元，根据主控单元MCU上电后发出的检测指令，自行检查各采集电路是否存在故障，并通过CAN网络将自身检测结果发送给上层主控设备；所述的CAN总线物理接口由高速光耦和物理层芯片构成，CAN总线发送信号CANTX经过缓冲驱动光耦，输出信号经过电阻连接到物理层芯片，最终变成差分信号驱动CANH和CANL；总线上的接收信号经过物理层芯片变换成数字信号RXD，RXD输入连接光耦，输出送到缓冲芯片。

所述的数字量采集单元包括电阻网络降压、滤波及光耦隔离电路，列车司机的指令经降压、滤波和隔离后，信号被送入MCU主控单元处理。

所述的脉冲信号采集单元，信号经滤波整形电路和降压隔离电路，送到主控单元的专用接口，实现全数字化的等精度测量。

所述的自检单元，由光电隔离电路、MOSFET驱动电路构成。主控单元MCU上电后发出检测指令，模块自行检查各采集电路是否存在故障，并通过CAN网络将自身检测结果发送给上层主控设备。

与现有技术比较，本实用新型的优点在于测量精度高、测量范围大、实时性好，能满足机车中数字量采集及速度信号采集的精度要求。

附图说明

本实用新型有附图6幅，其中：

图1是本实用新型的结构框图；

图2是数字量采集单元的结构示意图；

图3是脉冲信号采集单元的结构示意图；

图4是自检单元的结构示意图；

图5是CAN物理接口单元结构示意图；

图6是C8051F040芯片的结构示意图；

在图中：1、脉冲信号采集单元，2、MCU主控单元，3、数字量采集单元，4、上电自检单元，5、CAN物理接口单元，6、CAN网络。

具体实施方式

如图1～图6所示的一种基于CAN的数字量采集及脉冲信号采集模块，其特征在于包括MCU主控制单元2，数字量采集单元1，脉冲信号采集单元3，上电自检单元4和CAN物理接口单元5。所述的数字量采集单元包括电阻网络降压、滤波及光耦隔离电路，通过内部电路实现上电自检功能。列车司机的指令经降压、滤波和隔离后，信号被送入MCU主控单元处理。如图2所示。信号IN1经二极管D17点输入，通过电阻R17、R18和电容C1的降压滤波再经过稳压管D1限压送给光耦输入端，光耦导通1点显高电平，经施密特触发器2点显低电平；当信号撤销时光耦关断1点电压显低电平，经施密特触发器2点显高电平。MCU读取端口状态，通过CAN物理接口送给上层主控设备。

所述的脉冲信号采集单元，信号经滤波整形电路和降压隔离电路，接入主控单元的专用接口，实现全数字化的等精度测量。其中的滤波整形电路、降压隔离电路由滞回比较部分、降压部分、光电隔离部分组成。如图3所示。滞回部分由运放LM224及电阻R5、R7、R13组成，初始态运放输出高电平即15V，由图3所示可得，当A点电压到达某一定值时，运放输出翻转成低电平，当A点电压下降到另一定值时，运放输出高电平。电压在俩定值之间时运算放大器输出电平保持不变。A点电压由R1、R3分压所得。B点电压再通过电阻降压、限流送入光耦。通过光耦隔离送给主控单元MCU的专用接口。采集同一脉冲信号的相邻两个上升沿，再由定时器记录发生两个上升沿所用的时间。由于两路信号之间具有相位差，可以在捕捉到其中一路信号上升沿的同时，读取另一路信号的状态，从而可以判断出行车方向。

所述的自检单元，由光电隔离电路、MOSFET驱动电路构成。主控单元MCU上电后发出检测指令，模块自行检查各采集电路是否存在故障，并通过CAN网络将自身检测结果发送给上层主控设备。如图4所示。当MCU发出自检指令时，信号由输入点输入驱动隔离光耦，MOSFET输出端与数字量采集单元的输入端和脉冲信号采集单元的输入端连接，光耦导通驱动MOSFET导通。当MOSFET导通时，数字量采集单元和脉冲信号采集单元，呈高电平输入状态，MCU读取状态值，可以判断各单元是否故障。所述的CAN物理接口单元，通信信号的整形处理，通信信号隔离和专用的接口芯片构成。如图5所示。MCU通过专用接口CANTX发出信号，信号通过U17C、U17B两个反相器整形后，经光耦U3隔离，传送到专用信号接口芯片U2，再由U2传送到CAN主网上。MCU接受信号则是由U2将信号处理后，通过U4隔离，U17A整形，送到MCU的专用接口CANRX。

所述的MCU主控单元，如图6所示。选用C8051F040单片机，在指令集上与传统的MCS-51完全兼容；然而在系统结构、外围设备等方面有了很大的改进，使得集成度更高，运行速度更快，C8051F040特点如下：

(1)低电压供电2.7-3.6V，输入端口兼容5V电平，输出有开漏和推挽模式。

(2)集成JTAG调试器，可在线调试和下载。

(3)多复位源，有看门狗复位、电源电平监视复位、时钟失步复位及比较器复位等。

(4)处理器最高运行时钟25MHZ，可用片内时钟，也可用外部时钟。

(5)集成CAN控制器2.0B，带有32消息对象，每个消息对象有独立地址。

(6)5个定时器，其中T2、T3和T4为增强型定时器，可灵活配置成频率可调方波输出和事件捕捉。

(7)中断源可达20个

(8)64KB FLASH ROM，256字节片内内存和4KB外部内存。

(9)引入交叉开关配置，可灵活将外围设备配置到P0-P3端口。

(10)一个带硬件地址控制的串行总线UART0和1个普通串行总线UART1。

C8051F040采用流水线处理架构，不再分系统时钟和机器周期。指令直接按照系统时钟执行，而且大部分指令只需1-2个系统时钟即可完成。

Claims

1.一种基于CAN的数字量采集及脉冲信号采集模块，其特征在于：包括MCU主控单元(2)、数字量采集单元(3)、脉冲信号采集单元(1)、上电自检单元(4)和CAN物理接口单元(5)，其中所述的数字量采集单元(3)采集的指令信号IN1通过二极管D17，电阻R17、R18降压，稳压管D1稳压，光耦U1隔离，U17A反相整形送入MCU主控单元(2)；所述的脉冲信号采集单元(3)采集的信号通过RC滤波接入由运放LM224及电阻R5、R7、R13组成滞回比较电路，A点电压到达某一定值时，运放LM224输出翻转成低电平，A点电压下降到另一定值时，运放LM224输出高电平，电压在俩定值之间时运放LM224输出电平保持不变；A点电压由R1、R3分压所得，B点电压再通过电阻降压，通过光耦U2隔离接入主控单元MCU的专用接口P0.0和P0.1；所述的自检单元，根据主控单元MCU上电后发出的检测指令，自行检查各采集电路是否存在故障，并通过CAN网络将自身检测结果发送给上层主控设备；所述的CAN总线物理接口由高速光耦和物理层芯片构成，CAN总线发送信号CANTX经过缓冲驱动光耦，输出信号经过电阻连接到物理层芯片，最终变成差分信号驱动CANH和CANL；总线上的接收信号经过物理层芯片变换成数字信号RXD，RXD输入连接光耦，输出送到缓冲芯片。

2.根据权利要求1所述的基于CAN的数字量采集及脉冲信号采集模块，其特征在于：所述的数字量采集单元包括电阻网络降压、滤波及光耦隔离电路，列车司机的指令经降压、滤波和隔离后，信号被送入MCU主控单元处理。

3.根据权利要求1所述的基于CAN的数字量采集及脉冲信号采集模块，其特征在于所述的脉冲信号采集单元，信号经滤波整形电路、降压隔离电路、送到主控单元的专用接口。

4.根据权利要求1所述的基于CAN的数字量采集及脉冲信号采集模块，其特征在于所述的自检单元，由光电隔离电路、MOSFET驱动电路构成，主控单元MCU上电后发出检测指令，模块自行检查各采集电路是否存在故障，并通过CAN网络将自身检测结果发送给上层主控设备。