地磅中的CANopen智能诊断

地磅被广泛应用于港口、机场、物资仓储、工矿企业等大宗载重货物车辆的称重计量和贸易 结算。提出了一种基于CANopen的地磅的设计方案，介绍了数字式电子汽车衡的系统结构、电气原理构成，及CANopen网络通讯、电子汽车衡系统中Canopen总线的智能诊断功能。

一、引言

地磅目前在交通运输、化工、冶金、港口、粮食、饲料、海关检查、建筑材料、环保、煤炭、市 政建设等几乎所有行业得到广泛应用，常用于进货验收、发货计量、仓储计量、生产过程工艺流程计量、车 辆载荷测量等场合。随着新技术的发展和不同领域的应用要求，地磅将根据行业的具体应用而不断进行功 能上的细化。

CAN总线(controller area network)被称为控制器局域网现场总线，它是现场总线技术的一种，是一种架构 开放、广播式的新一代网络通信技术。CANopen协议是基于CAN-bus的一种高层协议，在基于CAN的工业 系统中占领导地位，协议针对行业应用实现起来比较简洁⑴。本文提出了一种基于CANopen的电子汽车衡的 设计方案。CAN总线系统的汽车衡采用直接连接的方式，解决了传统POWERCELL数字式称重系统中最常见 的传感器通讯及电缆连接两件麻烦事，提供了设备级故障诊断方法，同时提高了通信效率和设备的互换性。

二、数字式地磅

地磅主要由秤台、称重传感器、连接件、限位装置、称重显示仪表、电缆及接线盒、预埋基础（含 基础板）等部件组成，还可以选配打印机、计算机等外部设备，以构成完善的系统。

地磅可配置多种形式的电阻应变式传感器，根据输出信号的不同可分为模拟式和数字式两种。目前市 场上模拟式地磅常用的传感器有单剪切梁传感器、双剪切梁传感器、柱式型传感器，随着柱式传感器技术 的不断成熟，未来模拟式地磅将逐渐向安装维护方便的柱式传感器发展。

数字式地磅是将数字补偿技术用于地磅上的原理性产品，它以其卓越的线性、蠕变、温度、滞 后个性化自动补偿技术使地磅获得了很好的称量准确性，同时从技术上解决了长期以来困扰地磅维护的 更换传感器和仪表须重新标定的问题。

三、基于CANopen的地磅的设计

随着称重传感器制造技术、微电子技术的快速发展及计量法规的完善，地磅也得到了快速发展，地磅中电子汽车衡所占比重已达到90%以上。目前，地磅中数字传感器和仪表之间的通信方式主要有两种，一种是 通过RS485/RS422串行接口，另一种是通过CANopen总线， 本文介绍的是后者。

1、数字传感器的电气原理

本地磅系统主要由应变式电阻荷重传感器、信号 处理电路、测量显示仪、Com通讯和CAN通讯软件构成。荷 重传感器用桥式应变片把压力(重力)线性转换成电阻变化 量，通过补偿运算输出线性的电压变化量值，根据最大秤重 选配POWERCELL MTX数字式传感器；信号处理电路采用高 精度集成运放（OP177、OP277等），对传感器输出的小电压 信号进行放大滤波和温度补偿，输出供给测量仪的检测信号。 荷重传感器及信号处理电路组成了重量测量线路。测量显示 仪进行A/D转换、键盘控制、数值计算及显示，构成人机接口； Com通讯及CAN通讯分别满足与计算机的串口通讯及总 线式通讯功能，串口通讯实现查看测量数据及修改测量参数; CAN通讯实现CANopen网络通信功能。测量系统总体结构如 图1所示，整个设计以单片机PIC30D6014为核心控制芯片。

2、CANopen网络通讯

CANopen协议在物理层和数据链路层基础上规定了应用 层协议。在CANopen的应用层，设备问通过相互交换通信对 象进行通信。良好的分层和面向对象的设计使得通信模型较 为清晰。

CANopen设备分为三部分，CAN通讯接口、对象字典和 应用程序之间的联系如图2所示。通讯接口提供总线上的数据 收发服务，定义了4类标准的通信接口，S卩：SDO(服务数据 对象)、PDO(过程数据对象)、NMT(系统管理命令)和特殊对 象，来实现通信、网络管理和紧急情况处理等功能。SDO和 PDO是CANopen的基本传输机制。PDO对小型数据进行高速 传输，SDO对对象字典进行访问，主要用于在设备配置过程 中传递参数或大数据块。NMT用于对设备状态进行管理、控 制和及时发现设备故障。特殊对象用于同步、应急指示和时 间标记对象。[M]

3、CANopen总线的智能诊断

本电子汽车衡系统中的CANopen总线诊断功能给出了 本地的传感器数据和诊断数据，主要用于统计和预防性维护。 根据所有传感器的电流值和网络错误计数，循环状态信息的 选择和合成进行状态监测。由事件缺陷、电源线和通讯线电 压监测，本地重量峰值记录贮存，最大测量负载，危险信息 的产生来实现诊断。

CAN高/低电平测量为了诊断CAN总线通讯情况，本系统引入了一种特殊 测量模式。在该模式下，系统短暂停止CANopen拓扑网络中 所有节点通讯，并采集和记录此时刻的CAN高/低电压值(一 个CAN高电压，一个CAN低电压），如图3所示。完成采 集CAN高/低电压值之后，系统重启CAN通讯，并从所有 网络节点得到这些电压值。此外，在电压测量过程中，任何 节点都可以发送一个显形信号来模拟信号源点。于是，随着 一系列组合测量的展开，CANopen拓扑网络中的任何节点上 的CAN信号电压变化都可以被分析和诊断。

这个模式和循环时间由CANopen OD入口 Ox3003指定。 循环以CAN高/低测量加入，在使平面OD入口 Ox3001: Ox06。在使标志设置后，SYNC信号收到循环开始。当循环 结束，标志位清零。

（2）最大重量的峰值记录

本系统可以检测到CAN总线上的最近10个重量峰值， 并随机保存在NVRAM中。当检测到一个新的最大重量值、 并且该重量值大于NVRAM中读取的最小的峰值时，该峰值 将被新的最大值所替代。这种替代行为是随机发生的，无法 确定何时以何种循序发生。

为了避免一种特殊情况的发生，1个新的最大值替代了 NVRAM中记录的10个峰值，系统在保存新的峰值之前，设 置了一个最小等待时间量。

几秒内的等待时间通过CANopen SDO (服务数据对象） OD 对象 Ox4100，B (0=无效）（或通过 MT-SICS XM2011) 读取和设置。

在PDX单元储存的峰值记录值能通过SDO被读取和重 设，在 CANopen OD 对象 Ox4100，A(或通过 MT-SICS XM0016读和XM2012写）写一个记录值，重设所有的入口。

系统最大重量的峰值记录顺序如图4所示，依次为：

①选择最低值；

②跟踪重量信号，与实际记录值比较，到最大值出现；

③等待时间开始定时

④新的大值出现重启定时；

⑤时间到，保存新的最大值；

⑥重复①。

系统可以预设一个峰值记录的阈值，而且可以打开/关闭 此“峰值记录”功能。

四、结束语

CANopen协议以其免费公开、透明简单和程序开发容易 的特点在工业自动化领域应用广泛，成为了目前欧洲最流行 的CAN高层协议之一。本文提供了基于CANopen协议的地磅的设计方案，并实现智能诊断，为地磅维护 和控制提供了实时状态数据。通过具体试验验证了 CANopen 协议应用在地磅的可行性，对于在工业生产中营造安全生 产环境，实现远程智能化和网络化控制具有很好的应用价值。