专利名称：基于can的数字量采集及脉冲信号采集模块的制作方法
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，即频率一电压变换，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. OA版本规定CAN控 制器必须有一个ll位的标志符。同吋，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C 8 0 5 1 F 0 4 O单片机上建立一个片上 系统，利用C 8 0 5 1 F 0 4 O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 C AN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。
本实用新型有附图6幅，其中
图l是本实用新型的结构框图2是数字量采集单元的结构示意图3是脉冲信号采集单元的结构示意图4是自检单元的结构示意图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。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C AN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，MO S F E T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MO S
FET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) —个带硬件地址控制的串行总线UARTO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l-2个系统时钟即可完成。
权利要求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，模块自行检査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。
专利摘要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。
文档编号G05B19/048GK201383092SQ200820231599
公开日2010年1月13日 申请日期2008年12月10日 优先权日2008年12月10日
发明者刘维洋, 李砾工, 勇 石 申请人:中国北车股份有限公司大连电力牵引研发中心