专利名称：强实时控制应用的现场总线实验系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种分布式强实时控制系统，特别涉及一种强实时控制应用的现场总线实验系统。
背景技术：
磁悬浮控制技术是集电磁学、电子学、力学、机械学、控制工程和计算机科学为一体的技术，具有非接触性、无润滑问题、响应时间短等优点。近年来，伴随其它技术的发展， 磁悬浮技术在很多领域得到广泛的应用，如磁悬浮列车、磁悬浮轴承、高速磁悬浮电机等。 国外在进行磁悬浮控制研究的初始阶段，大多数是在磁悬浮小球控制装置上展开的，以此来研究磁悬浮系统的各项性能。随着自动控制技术、计算机技术和网络技术的发展以及控制和管理要求的不断提高，使得控制系统正由封闭的集中体系加速向开放的分布式体系发展，出现了分布式实时控制系统，这种建立在现场CAN总线基础上的控制系统，在结构和性能有了飞跃性的变化。 然而在磁悬浮球控制系统的研究方面，国内大部分还只是采用集中式控制系统，将系统应用于控制算法的研究，而集中式控制系统具有网络化程度低、可靠性差、经济性差的缺点。
实用新型内容本实用新型是针对控制技术由直接数字控制、集中式控制所存在的缺陷，提供一种建立在控制器局域网基础上的用于磁悬浮球控制装置的强实时控制应用的现场总线实验系统，其通过实现总线通信方法使系统网络化、分散化，提高了系统的开放性、可靠性、可维护性、经济性等。本实用新型的技术方案为一种强实时控制应用的现场总线实验系统，用于磁悬浮光电控制装置，该磁悬浮光电控制装置包括电磁铁、光源、钢球和光电位置传感器，其特征在于，该现场总线实验系统包括与CAN总线连接的第一 CAN节点、第二 CAN节点、第三CAN节点和第四CAN节点，所述第三CAN节点依次连接继电器和光源，并控制该光源的开启与关闭，所述第一 CAN节点依次连接A/D转换器、处理电路和光电位置传感器，并检测所述钢球与电磁铁之间的距离信号且传送到所述CAN总线，所述第二 CAN节点依次连接D/A转换器、驱动电路和电磁铁，并控制该电磁铁电磁力的大小，所述第四CAN节点连接对全系统运行情况进行实时监控与维护的监控PC机。本实用新型所述强实时控制应用的现场总线实验系统的第一 CAN节点、第二 CAN 节点和第三CAN节点采用同一结构的CAN节点，其包括微处理器LPC2^2、复位电路、晶振电路、稳压电路、CAN通信硬件电路、A/D转换电路、D/A转换电路和继电器控制电路。本实用新型是一种强实时控制应用的现场总线实验系统，其有益效果在于简化了系统结构，提高了可靠性，具有较强的抗干扰能力；本实用新型是一个开放的系统，可以与任何遵守CAN总线协议的其它设备或系统连接，其将传感测量、工程量处理与控制运算等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，可进行控制算法研究，并可在线诊断设备的运行状态。
图1为本实用新型的结构示意图。图2为本实用新型功能块的组合图。图3为本实用新型的CAN节点硬件构成框图。图4为本实用新型的A/D转换器电路原理图。图5为本实用新型的D/A转换器电路原理图。图6为本实用新型的继电器控制电路原理图。图7为本实用新型通信电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。首先请参阅图1本实用新型的结构示意图，图示强实时控制应用的现场总线实验系统用于磁悬浮光电控制装置。该磁悬浮光电控制装置包括电磁铁1、光源6、钢球9和光电位置传感器5，所述光源6和光电位置传感器5置于悬浮钢球9的左右两侧，所述电磁铁 1位于该钢球9的上方，其产生的电磁力F与钢球9的重力mg相平衡，钢球9就可以悬浮在空中而处于平衡状态。该电磁铁1绕组中电流的变化使电磁力F随之变化，从而使钢球9 与电磁铁1之间的距离X发生变化，因此光源6照射钢球9在光电位置传感器5上的投影位置也同时发生变化，从而光电位置传感器5因此所产生的感应信号就也会发生变化。换言之，光源6和光电位置传感器5组成了悬浮钢球9位置的无接触测量装置，该光电位置传感器5上感应信号的大小反映了钢球9与电磁铁1之间的距离X的变化。所述强实时控制应用的现场总线实验系统包括CAN总线13以及与之连接的第一 CAN节点12、第二 CAN节点4、第三CAN节点8和第四CAN节点14。所述第三CAN节点8依次连接继电器7和光源6，并控制该光源6的开启与关闭。所述第一 CAN节点12依次连接A/D转换器11、处理电路10和光电位置传感器5。 由该光电位置传感器5检测得到的钢球9与电磁铁1之间的距离信号，经A/D转换器11进行模数转换和处理电路10的信号处理后形成数字信号，然后传送到现场CAN总线13。所述第二 CAN节点4是执行器节点，负责将控制信号转换成模拟电压信号，输出到电磁铁1以控制电磁力F的大小。该第二 CAN节点4依次连接D/A转换器3、驱动电路2和电磁铁1，其从CAN总线13上接收到钢球9的位置信号后，据此计算出控制量，并通过D/A 转换器3转换成模拟信号输出到驱动电路2，从而控制电磁铁1绕组中的电流，实现对电磁铁1电磁力F大小的控制。所述第四CAN节点14为现场总线通信接口卡，与监控PC机15连接，该第四CAN 节点14是监控PC机15实现CAN通信的桥梁，所述监控PC机15对全系统运行情况进行实时监控与维护，获取错误信息，并在显示器上显示。所述四个现场CAN节点通过现场CAN总线13网络传递信息，其中第一 CAN节点 12、第二 CAN节点4和第三CAN节点8具有相同的组成模式，可互换位置，都能进行磁悬浮系统控制算法的实时计算，可在组态过程中设定其中之一完成控制运算。第一 CAN节点12 主要完成模拟输入功能，其输出通过现场CAN总线13传送到其它节点；第二 CAN节点4主要完成控制运算和模拟输出功能，控制算法模块的输入是从现场CAN总线13上接收到的第一 CAN节点12的输出，算法参数可由监控PC机15通过接口卡与现场CAN总线13通过非周期通信方式来设置，运算结果通过模拟输出模块输出控制电压。所述第一 CAN节点12、第二 CAN节点4和第三CAN节点8之间通过CAN总线13通信构成PID闭环控制系统，控制电磁铁1绕组中的电流，使之产生的电磁力F与钢球9的重力mg相平衡，钢球9就可以悬浮在空中而处于平衡状态。本实用新型的PID闭环控制系统， 其功能块的组合及信号传递过程如图2所示，其中虚线表示非周期通信，实线表示发布/预定接收型周期通信或节点内部的链接。所述第一 CAN节点12通过模拟输入(Al)模块采集钢球9位置信号，其结果通过CAN总线13传送到第二 CAN节点4 ；第二 CAN节点4包括PID 模块和模拟输出(AO)模块，PID模块接收到钢球9位置信号后，进行PID运算，结果通过模拟输出模块输出控制电压，其中PID的参数SP (设置位置)，Kp (比例系数)、Ki (积分时间常数)、Kd(微分时间常数)是由监控PC机15通过非周期通信方式来设置。所述第一 CAN节点12、第二 CAN节点4和第三CAN节点8采用同一结构的CAN节点，请参阅图3，该三个CAN节点12、4和8采用ARM7微处理器LPC2^2，其还包括外围电路 复位电路、晶振电路、稳压电路、CAN通信硬件电路、A/D转换电路、D/A转换电路和继电器控制电路。该三个CAN节点12、4和8从数据获取、总线通信、控制运算、到控制钢球9动作， 所用时间总和小于1.細s，将实时控制周期选为3ms时，控制系统的稳态误差为士 1. 8%。所述A/D转换电路原理如图4所示，其采样周期为:3ms。控制器LPC2292执行一条
向外部存储器的地址读访问的语句，此时&上的信号变为低电平，可以触发A/D转换。转换过程需要2. 2 μ s来完成，结束后，WM端上由低电平跳变为高电平，触发LPC2292上的外部中断0，这时就可以通过数据总线将A/D转换数据读出来。所述D/A转换电路原理如图5所示，只需要向外部存储器的地址写数据，其中数据低12位，即bitO-bitll为输出数据，确定控制电压值。所述继电器控制电路原理如图6所示，当LPC2292的GPIO 口 P0. 4为高电平时，三极管8050导通。此时继电器与地连通，继电器线圈上电流变大，产生磁力，改变开关状态， 使得接口 J4连通。所述CAN通信硬件电路原理如图7所示，LPC2292本身集成了 CAN控制器，因此只需要连接CAN收发器即可。CAN收发器集成了 CAN协议物理层的部分功能，提供了 CAN控制器与物理总线之间的接口，以及对CAN总线的差动发送和接收功能。总线为了提高系统实时性，防止周期型数据被延迟，系统不仅将周期型数据的优先级设置较高，而且对通信系统的基本周期进行分配，这样可以避免周期型数据的传输被干扰。现场CAN总线13采用总线拓扑结构，通信系统的基本周期为:3ms，其通信方法为首先由第一CAN节点12发送周期型数据，即通过光电位置传感器5采样到的钢球9的位置，其他节点接收到该数据帧之后，将其作为参考帧，同步本地时钟，此刻开始的2ms为仲裁窗， 可以发送事件触发型数据。具体实现方法是，其它节点可以启动一个定时器，在2ms之内如果有事件触发型数据需要发送，则发送数据，基本周期内的其它时间如果有数据需要发送，则需要等到下一个周期。空余时隙大约有0. 8ms，主要是用来防止仲裁窗发生数据帧冲突而导致低优先级的数据帧在仲裁窗没有发送完。由于CAN是不能取消发送的，而且如果出错还会自动重发。因此本实用新型通过提供一段时间的空闲时隙，来让总线“空闲”下来，这样可以防止其干扰时间触发型数据的发送，保障其实时性。通信数据帧对每个节点具有一致性和完整性，在稳定状态下，总线负载率仅为4. 48%，最大负载率为4. M%。即使有事件触发型数据需要传送，通信响应周期也可控制在3ms之内。第四CAN节点14连接监控PC机15与CAN总线13。监控PC机15通过磁悬浮球控制系统软件，完成发送控制命令和接收反馈状态信息的通信功能。通过解析从CAN总线 13上接收到的数据，确定钢球9的位置，完成监控及错误诊断功能，并可以实现PID控制器的参数设置。该控制系统软件能够提供人机交互的良好界面。综上所述，本实用新型所述强实时控制应用的现场总线实验系统将钢球9、光源6 和电磁铁1作为被控对象，运用四个现场总线节点和控制器局域网组成分布式实时控制系统；光源6和光电位置传感器5组成无接触测量装置，检测钢球9与电磁铁1之间的距离， 该信号经总线节点采样处理、模数转换后形成数字信号，并传送到CAN总线13网络；电磁铁 1的控制节点从CAN总线13上接收到钢球9的位置信号后，进行控制运算，把计算结果作为控制量输出到电磁铁1的驱动电路2，实现对电磁力F的控制；光源6的开启与关闭由继电器控制节点完成；系统运行情况实时监控与维护由带有控制器局域网接口卡的监控PC机 15实现。
权利要求1.一种强实时控制应用的现场总线实验系统，用于磁悬浮光电控制装置，该磁悬浮光电控制装置包括电磁铁、光源、钢球和光电位置传感器，其特征在于，该现场总线实验系统包括与CAN总线连接的第一 CAN节点、第二 CAN节点、第三CAN节点和第四CAN节点，所述第三CAN节点依次连接继电器和光源，并控制该光源的开启与关闭，所述第一 CAN节点依次连接A/D转换器、处理电路和光电位置传感器，并检测所述钢球与电磁铁之间的距离信号且传送到所述CAN总线，所述第二 CAN节点依次连接D/A转换器、驱动电路和电磁铁，并控制该电磁铁电磁力的大小，所述第四CAN节点连接对全系统运行情况进行实时监控与维护的监控PC机。
2.根据权利要求1所述的强实时控制应用的现场总线实验系统，其特征在于，所述第一 CAN节点、第二 CAN节点和第三CAN节点采用同一结构的CAN节点，其包括微处理器 LPC2292、复位电路、晶振电路、稳压电路、CAN通信硬件电路、A/D转换电路、D/A转换电路和继电器控制电路。
专利摘要一种强实时控制应用的现场总线实验系统，用于磁悬浮光电控制装置，该装置包括电磁铁、光源、钢球和光电位置传感器，该现场总线实验系统包括与CAN总线连接的第一CAN节点、第二CAN节点、第三CAN节点和第四CAN节点，第三CAN节点依次连接继电器和光源，并控制该光源的开启与关闭，第一CAN节点依次连接A/D转换器、处理电路和光电位置传感器，并检测所述钢球与电磁铁之间的距离信号且传送到CAN总线，第二CAN节点依次连接D/A转换器、驱动电路和电磁铁，并控制该电磁铁电磁力的大小，第四CAN节点连接对全系统运行情况进行实时监控与维护的监控PC机。本实用新型具有开放性强、可靠性高、结构分散、抗干扰能力强、安装维护方便等优点。
文档编号G05B19/418GK202058024SQ201120105059
公开日2011年11月30日 申请日期2011年4月12日 优先权日2011年4月12日
发明者仇林至, 尚雯雯, 张凤登, 张勇 申请人:上海理工大学