基于單片機AT89C51和CAN控制器實現(xiàn)柴油發(fā)動機測試系統(tǒng)的設計

1. 引言

許多現(xiàn)在正在使用的柴油發(fā)動機測試平臺都是通過儀表讀數(shù)來分析、判斷一臺柴油發(fā)動機測試時的工作狀態(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)動機測試過程，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，結合企業(yè)技術改造，我們開發(fā)了基于CAN現(xiàn)場總線的柴油發(fā)動機測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了同時對多臺柴油發(fā)動機測試過程的監(jiān)控與測試。

2. 測試系統(tǒng)結構組成

根據柴油發(fā)動機的測試要求，本系統(tǒng)主要完成對柴油發(fā)動機測試過程中各種傳感信號的處理以及柴油機工況數(shù)據的采集，并將數(shù)據通過CAN總線送上位機，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：機油壓力和溫度、冷卻水溫度、進排氣溫度、燃油液位、啟動蓄電池電壓、轉速等。

柴油發(fā)動機測試系統(tǒng)的關鍵是引入了CAN總線技術，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絡，是應用于生產現(xiàn)場、在微機化測量控制設備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(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)控功能分散到每個試車臺，每個試車臺均由一個CAN智能節(jié)點完成監(jiān)控任務。每個CAN總線節(jié)點的組成是相同的，都包括：主控單元、CAN總線通信管理單元、數(shù)據采集與處理單元等。各節(jié)點通過CAN總線與上位機相連，通過總線完成彼此間的通信。

3. 測試系統(tǒng)硬件設計

柴油發(fā)動機測試系統(tǒng)采用兩級分布式結構。上位機采用PC機，在上位機的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、下位機聯(lián)系在一起構成控制網絡。下位機控制器采用單片機AT89C51和CAN總線控制器SJA1000共同組成的智能節(jié)點，它們直接對各現(xiàn)場設備（如：傳感器、繼電器、電機等進行控制，采集現(xiàn)場數(shù)據，并根據接收到的命令或者主動將數(shù)據發(fā)送到CAN總線。

通過事先設置驗收碼和驗收屏蔽碼可以控制智能節(jié)點從總線上接收哪些數(shù)據或命令。如果某些數(shù)據需要進一步復雜的處理（如動態(tài)顯示），則上位計算機可以從總線上接收數(shù)據。當上位機需要對某個節(jié)點施加控制動作時，可以采用點對點方式與該節(jié)點通訊，而當它要同時對所有節(jié)點施加控制動作時，可以采用廣播方式將命令發(fā)送到總線。這樣當系統(tǒng)正常運行時完全可以沒有上位機的參與，大大減少了數(shù)據的傳輸量，同時提高了系統(tǒng)的實時性和可靠性。

柴油發(fā)動機測試系統(tǒng)的硬件設計主要涉及上位機中的PC-CAN適配卡以及下位機CAN智能節(jié)點。這里重點分析CAN智能節(jié)點的結構組成。

在圖2CAN智能節(jié)點中，核心器件是CAN總線控制器SJA1000、CAN總線驅動器82C250以及單片機AT89C51。AT89C51主要有兩方面的任務：一是負責對CAN控制器SJA1000的初始化，并通過控制SJA1000實現(xiàn)數(shù)據的接收和發(fā)送等通信任務;二是負責對現(xiàn)場信號的采集以及對現(xiàn)場設備的控制。

SJA1000是Philips公司的CAN控制器，它實現(xiàn)了CAN總線網絡中的數(shù)據鏈路層和物理層功能，通過對其編程，微處理器可以設置它的工作方式，控制它的工作狀態(tài)，進行數(shù)據的發(fā)送和接收，把應用層建立在它的基礎之上。在本設計中，為了增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，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分別經高速集成光電耦合器6N137隔離后與CAN總線接口驅動芯片82C250的TXD和RXD相連，82C250則直接與CAN物理總線相連。

上位機監(jiān)控軟件采用組態(tài)軟件進行開發(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)及計算機控制技術的日趨成熟而發(fā)展起來的

當前，隨著現(xiàn)場總線技術的逐步推廣，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/輸出設備連接，從而促進了組態(tài)軟件在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的應用。通過對現(xiàn)有組態(tài)軟件性能及價格的比較，同時結合本技改項目的實際需要，選擇國產“世紀星”組態(tài)軟件來開發(fā)CAN總線系統(tǒng)的監(jiān)控程序。為了將上位機人機界面程序與下位機數(shù)據采集與交換程序有機地結合起來，我們把臨控程序分成兩部分，即：將服務器-客戶機結構應用到CAN總線控制系統(tǒng)的組態(tài)軟件設計中，實現(xiàn)以人機界面程序作為客戶機端程序，以與硬件進行數(shù)據交換的程序作為服務器端程序。

（2） 下位機軟件：

每個柴油發(fā)動機試車臺作為CAN總線的一個智能節(jié)點，通過CAN通信接口將各試車臺的檢測狀態(tài)和控制結果等信息向上位機傳送，并隨時準備接收上位機的控制指令。下位機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)動機運行狀態(tài)監(jiān)控模塊、A/D巡檢采樣及數(shù)據轉存模塊、I/O開關量信號處理模塊等。其中，CAN節(jié)點通信模塊部分至關重要，它關系到整個分布式控制網絡能否正常工作。CAN節(jié)點通信模塊由CAN初始化子程序、CAN中斷程序和CAN數(shù)據收發(fā)子程序組成，如圖4所示。

4. 結束語

本論文的研究內容在圍產135系列柴油發(fā)動機的試車臺上已經過試驗并運行良好，實踐表明：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、抗干擾能力強和可擴充性好等優(yōu)點，可以對柴油機的測試過程進行全面監(jiān)控，大大減少了測試時間，改善了監(jiān)控工作條件，提高了對設備的科學化管理，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。