地磅被廣泛應(yīng)用于港口、機(jī)場(chǎng)、物資倉(cāng)儲(chǔ)、工礦企業(yè)等大宗載重貨物車輛的稱重計(jì)量和貿(mào)易 結(jié)算。提出了一種基于CANopen的地磅的設(shè)計(jì)方案，介紹了數(shù)字式電子汽車衡的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、電氣原理構(gòu)成，及CANopen網(wǎng)絡(luò)通訊、電子汽車衡系統(tǒng)中Canopen總線的智能診斷功能。

一、引言

地磅目前在交通運(yùn)輸、化工、冶金、港口、糧食、飼料、海關(guān)檢查、建筑材料、環(huán)保、煤炭、市 政建設(shè)等幾乎所有行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，常用于進(jìn)貨驗(yàn)收、發(fā)貨計(jì)量、倉(cāng)儲(chǔ)計(jì)量、生產(chǎn)過(guò)程工藝流程計(jì)量、車 輛載荷測(cè)量等場(chǎng)合。隨著新技術(shù)的發(fā)展和不同領(lǐng)域的應(yīng)用要求，地磅將根據(jù)行業(yè)的具體應(yīng)用而不斷進(jìn)行功 能上的細(xì)化。

CAN總線(controller area network)被稱為控制器局域網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線，它是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的一種，是一種架構(gòu) 開放、廣播式的新一代網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。CANopen協(xié)議是基于CAN-bus的一種高層協(xié)議，在基于CAN的工業(yè) 系統(tǒng)中占領(lǐng)導(dǎo)地位，協(xié)議針對(duì)行業(yè)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)潔⑴。本文提出了一種基于CANopen的電子汽車衡的 設(shè)計(jì)方案。CAN總線系統(tǒng)的汽車衡采用直接連接的方式，解決了傳統(tǒng)POWERCELL數(shù)字式稱重系統(tǒng)中最常見 的傳感器通訊及電纜連接兩件麻煩事，提供了設(shè)備級(jí)故障診斷方法，同時(shí)提高了通信效率和設(shè)備的互換性。

二、數(shù)字式地磅

地磅主要由秤臺(tái)、稱重傳感器、連接件、限位裝置、稱重顯示儀表、電纜及接線盒、預(yù)埋基礎(chǔ)（含 基礎(chǔ)板）等部件組成，還可以選配打印機(jī)、計(jì)算機(jī)等外部設(shè)備，以構(gòu)成完善的系統(tǒng)。

地磅可配置多種形式的電阻應(yīng)變式傳感器，根據(jù)輸出信號(hào)的不同可分為模擬式和數(shù)字式兩種。目前市 場(chǎng)上模擬式地磅常用的傳感器有單剪切梁傳感器、雙剪切梁傳感器、柱式型傳感器，隨著柱式傳感器技術(shù) 的不斷成熟，未來(lái)模擬式地磅將逐漸向安裝維護(hù)方便的柱式傳感器發(fā)展。

數(shù)字式地磅是將數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)用于地磅上的原理性產(chǎn)品，它以其卓越的線性、蠕變、溫度、滯 后個(gè)性化自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)使地磅獲得了很好的稱量準(zhǔn)確性，同時(shí)從技術(shù)上解決了長(zhǎng)期以來(lái)困擾地磅維護(hù)的 更換傳感器和儀表須重新標(biāo)定的問(wèn)題。

三、基于CANopen的地磅的設(shè)計(jì)

隨著稱重傳感器制造技術(shù)、微電子技術(shù)的快速發(fā)展及計(jì)量法規(guī)的完善，地磅也得到了快速發(fā)展，地磅中電子汽車衡所占比重已達(dá)到90%以上。目前，地磅中數(shù)字傳感器和儀表之間的通信方式主要有兩種，一種是 通過(guò)RS485/RS422串行接口，另一種是通過(guò)CANopen總線， 本文介紹的是后者。

1、數(shù)字傳感器的電氣原理

本地磅系統(tǒng)主要由應(yīng)變式電阻荷重傳感器、信號(hào) 處理電路、測(cè)量顯示儀、Com通訊和CAN通訊軟件構(gòu)成。荷 重傳感器用橋式應(yīng)變片把壓力(重力)線性轉(zhuǎn)換成電阻變化 量，通過(guò)補(bǔ)償運(yùn)算輸出線性的電壓變化量值，根據(jù)最大秤重 選配POWERCELL MTX數(shù)字式傳感器；信號(hào)處理電路采用高 精度集成運(yùn)放（OP177、OP277等），對(duì)傳感器輸出的小電壓 信號(hào)進(jìn)行放大濾波和溫度補(bǔ)償，輸出供給測(cè)量?jī)x的檢測(cè)信號(hào)。 荷重傳感器及信號(hào)處理電路組成了重量測(cè)量線路。測(cè)量顯示 儀進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、鍵盤控制、數(shù)值計(jì)算及顯示，構(gòu)成人機(jī)接口； Com通訊及CAN通訊分別滿足與計(jì)算機(jī)的串口通訊及總 線式通訊功能，串口通訊實(shí)現(xiàn)查看測(cè)量數(shù)據(jù)及修改測(cè)量參數(shù); CAN通訊實(shí)現(xiàn)CANopen網(wǎng)絡(luò)通信功能。測(cè)量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如 圖1所示，整個(gè)設(shè)計(jì)以單片機(jī)PIC30D6014為核心控制芯片。

2、CANopen網(wǎng)絡(luò)通訊

CANopen協(xié)議在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層基礎(chǔ)上規(guī)定了應(yīng)用 層協(xié)議。在CANopen的應(yīng)用層，設(shè)備問(wèn)通過(guò)相互交換通信對(duì) 象進(jìn)行通信。良好的分層和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)使得通信模型較 為清晰。

CANopen設(shè)備分為三部分，CAN通訊接口、對(duì)象字典和 應(yīng)用程序之間的聯(lián)系如圖2所示。通訊接口提供總線上的數(shù)據(jù) 收發(fā)服務(wù)，定義了4類標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，S卩：SDO(服務(wù)數(shù)據(jù) 對(duì)象)、PDO(過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象)、NMT(系統(tǒng)管理命令)和特殊對(duì) 象，來(lái)實(shí)現(xiàn)通信、網(wǎng)絡(luò)管理和緊急情況處理等功能。SDO和 PDO是CANopen的基本傳輸機(jī)制。PDO對(duì)小型數(shù)據(jù)進(jìn)行高速 傳輸，SDO對(duì)對(duì)象字典進(jìn)行訪問(wèn)，主要用于在設(shè)備配置過(guò)程 中傳遞參數(shù)或大數(shù)據(jù)塊。NMT用于對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行管理、控 制和及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障。特殊對(duì)象用于同步、應(yīng)急指示和時(shí) 間標(biāo)記對(duì)象。[M]

3、CANopen總線的智能診斷

本電子汽車衡系統(tǒng)中的CANopen總線診斷功能給出了 本地的傳感器數(shù)據(jù)和診斷數(shù)據(jù)，主要用于統(tǒng)計(jì)和預(yù)防性維護(hù)。 根據(jù)所有傳感器的電流值和網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤計(jì)數(shù)，循環(huán)狀態(tài)信息的 選擇和合成進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。由事件缺陷、電源線和通訊線電 壓監(jiān)測(cè)，本地重量峰值記錄貯存，最大測(cè)量負(fù)載，危險(xiǎn)信息 的產(chǎn)生來(lái)實(shí)現(xiàn)診斷。

CAN高/低電平測(cè)量為了診斷CAN總線通訊情況，本系統(tǒng)引入了一種特殊 測(cè)量模式。在該模式下，系統(tǒng)短暫停止CANopen拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中 所有節(jié)點(diǎn)通訊，并采集和記錄此時(shí)刻的CAN高/低電壓值(一 個(gè)CAN高電壓，一個(gè)CAN低電壓），如圖3所示。完成采 集CAN高/低電壓值之后，系統(tǒng)重啟CAN通訊，并從所有 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)得到這些電壓值。此外，在電壓測(cè)量過(guò)程中，任何 節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送一個(gè)顯形信號(hào)來(lái)模擬信號(hào)源點(diǎn)。于是，隨著 一系列組合測(cè)量的展開，CANopen拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中的任何節(jié)點(diǎn)上 的CAN信號(hào)電壓變化都可以被分析和診斷。

這個(gè)模式和循環(huán)時(shí)間由CANopen OD入口 Ox3003指定。 循環(huán)以CAN高/低測(cè)量加入，在使平面OD入口 Ox3001: Ox06。在使標(biāo)志設(shè)置后，SYNC信號(hào)收到循環(huán)開始。當(dāng)循環(huán) 結(jié)束，標(biāo)志位清零。

（2）最大重量的峰值記錄

本系統(tǒng)可以檢測(cè)到CAN總線上的最近10個(gè)重量峰值， 并隨機(jī)保存在NVRAM中。當(dāng)檢測(cè)到一個(gè)新的最大重量值、 并且該重量值大于NVRAM中讀取的最小的峰值時(shí)，該峰值 將被新的最大值所替代。這種替代行為是隨機(jī)發(fā)生的，無(wú)法 確定何時(shí)以何種循序發(fā)生。

為了避免一種特殊情況的發(fā)生，1個(gè)新的最大值替代了 NVRAM中記錄的10個(gè)峰值，系統(tǒng)在保存新的峰值之前，設(shè) 置了一個(gè)最小等待時(shí)間量。

幾秒內(nèi)的等待時(shí)間通過(guò)CANopen SDO (服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象） OD 對(duì)象 Ox4100，B (0=無(wú)效）（或通過(guò) MT-SICS XM2011) 讀取和設(shè)置。

在PDX單元儲(chǔ)存的峰值記錄值能通過(guò)SDO被讀取和重 設(shè)，在 CANopen OD 對(duì)象 Ox4100，A(或通過(guò) MT-SICS XM0016讀和XM2012寫）寫一個(gè)記錄值，重設(shè)所有的入口。

系統(tǒng)最大重量的峰值記錄順序如圖4所示，依次為：

①選擇最低值；

②跟蹤重量信號(hào)，與實(shí)際記錄值比較，到最大值出現(xiàn)；

③等待時(shí)間開始定時(shí)

④新的大值出現(xiàn)重啟定時(shí)；

⑤時(shí)間到，保存新的最大值；

⑥重復(fù)①。

系統(tǒng)可以預(yù)設(shè)一個(gè)峰值記錄的閾值，而且可以打開/關(guān)閉 此“峰值記錄”功能。

四、結(jié)束語(yǔ)

CANopen協(xié)議以其免費(fèi)公開、透明簡(jiǎn)單和程序開發(fā)容易 的特點(diǎn)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，成為了目前歐洲最流行 的CAN高層協(xié)議之一。本文提供了基于CANopen協(xié)議的地磅的設(shè)計(jì)方案，并實(shí)現(xiàn)智能診斷，為地磅維護(hù) 和控制提供了實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)。通過(guò)具體試驗(yàn)驗(yàn)證了 CANopen 協(xié)議應(yīng)用在地磅的可行性，對(duì)于在工業(yè)生產(chǎn)中營(yíng)造安全生 產(chǎn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能化和網(wǎng)絡(luò)化控制具有很好的應(yīng)用價(jià)值。