1、引言

隨著自動控制技術和現(xiàn)場總線技術的不斷發(fā)展和深化，網(wǎng)絡化、集成化和互操作已成為現(xiàn)代控制系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。在眾多的現(xiàn)場總線標準中，德國Bosch公司提出的CAN總線（Controller Area Network）是從80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制于測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。

本文介紹了利用紅外傳感器無接觸檢測，結合單片機技術、CAN總線技術，將現(xiàn)場存在的傳感器、電子控制單元、執(zhí)行機構連接起來組成分布式控制網(wǎng)絡，實現(xiàn)了分布式安全保護檢測控制。有效地保證了工作人員人身安全和生產(chǎn)的正常進行。該系統(tǒng)可用于危險場所、區(qū)域安全防護，機械加工、紡織、食品加工等安全保護以及家庭等防盜報警，有較廣泛的應用前景。

2、系統(tǒng)組成及原理

由于紅外線通過云霧等充滿懸浮粒子的物體時不易發(fā)生散射、有較強的穿透能力和抗干擾能力，且紅外線遙控不易引起串干擾，因而被廣泛應用于遙控裝置。本系統(tǒng)信號檢測部分使用紅外傳感主動式發(fā)射/接收設計實現(xiàn)。紅外檢測裝置安裝在檢測控制區(qū)，當無人進入檢測區(qū)時，接收管無信號輸出。反之，接收管輸出信號，通過解調、放大、比較處理后產(chǎn)生TTL高電平信號送入單片機，利用單片機編程技術控制實現(xiàn)語音警示或控制現(xiàn)場執(zhí)行設備動作。CAN總線由于其較強的抗干擾能力、通訊中沒有地址的概念以及節(jié)點數(shù)不受限制等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應用于汽車、數(shù)控機床、儀器儀表、現(xiàn)場總線控制等領域［2］。本系統(tǒng)通過單片機控制CAN總線控制器構成CAN總線進行數(shù)據(jù)傳輸。這樣，多個檢測裝置構成了總線通信系統(tǒng)，方便實現(xiàn)多區(qū)域檢測控制狀態(tài)顯示。降低了系統(tǒng)在材料、安裝、維護等費用上的損耗，減小了布線復雜度。

分布式安全檢測系統(tǒng)主要由直流電源、信號檢測電路、信號處理電路、單片機控制器、接口電路、看門狗、CAN總線控制器、CAN總線收發(fā)器、狀態(tài)指示面板等電路組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結構框圖

3、系統(tǒng)設計

3.1 信號產(chǎn)生電路

系統(tǒng)信號產(chǎn)生電路采用CD4069外接電阻電容構成充放電通路產(chǎn)生方波脈沖信號。電路振蕩通過電容C充放電利用正反饋原理來完成，電路中R2是補償電阻，用于改善電源電壓變化而引起的震蕩頻率不穩(wěn)，由于CD4069為六反相器，為避免干擾將其余各部分輸入端接地。電路原理如圖2所示。

圖2 信號發(fā)生電路

R2阻值不僅可影響振蕩頻率，而且能改變輸出波形占空比，因為此時消除了VT的波動，能夠輸出占空比1/2方波，通常R1》》R2，一般取R1=10R2。

3.2 發(fā)射電路

系統(tǒng)信號發(fā)射電路由三極管V5、V6組成信號功率放大電路。得到較小占空比方波信號驅動紅外發(fā)射管工作。紅外發(fā)射管采用電流驅動，高電平時工作，低電平時截止。這樣使紅外發(fā)射管工作于脈沖狀態(tài)，延長了其使用壽命。電路原理如圖3所示。

圖3 發(fā)射電路

為了防止塵埃、飛蟲等遮斷紅外光束觸發(fā)報警，該電路中采用雙光束警戒線，當兩光束同時被遮斷時才觸發(fā)報警，只遮斷一條光束時不報警。兩光束間隔可調，安裝時根據(jù)實際情況調整合適的間距。另外，根據(jù)檢測檢區(qū)域大小可以安裝多組探測頭形成紅外屏障，這樣只有人等通過時才會至少遮斷兩條光束，防止誤報警。

3.3 接收電路

當檢測區(qū)中無遮擋物的情況下，紅外發(fā)射管發(fā)出的脈沖光無遮擋的被接收管接收，在電容C3產(chǎn)生負極性光敏電壓，無信號經(jīng)過電容C2;當有遮擋物進入檢測區(qū)中時，信號經(jīng)過電容C2向信號處理單元輸出。接收管輸出的電信號很微弱，因而經(jīng)過電容C2的電信號非常小，需經(jīng)放大后向后級傳送。電路原理如圖4 所示。

圖4 紅外接收電路

為了滿足裝置工作要求，在接收管前端安裝紅外濾光片去除可見光，使紅外接收管構成最大受光區(qū)以提高系統(tǒng)精度。

3.4 處理電路

系統(tǒng)采用低功耗、高增益、內部有頻率補償?shù)乃倪\放集成芯片LM324。當無遮擋物進入檢測區(qū)時，電路中只有直流信號，無法通過電容C8;當有遮擋物進入檢測區(qū)時，接收電路的輸出突變的電信號，通過電容C8向后繼電路傳送，經(jīng)三極管Q6初級放大，再送到由LM324組成的放大電路進行二次放大。

由于解調方波與紅外發(fā)射管的工作在時間上保持同步，且電子開關僅在紅外發(fā)射管工作時接通，所以僅有來自紅外發(fā)射管的光信號被接收，雜散光則被擋除。通過電子開關的方波信號由電阻電容網(wǎng)絡濾波平滑，留下直流分量，于是遮擋物的擋光面積信號被還原出來即是遮擋物的擋光面積大，留下的直流分量也大;遮擋物的擋光面積小，留下的直流分量也小，處理后的電信號送入單片機控制器。電路原理如圖5所示，

圖5 信號處理電路

3.5 CAN總線節(jié)點電路

總線通信接口選取Philips公司生產(chǎn)的CAN總線控制器SJA1000以及總線收發(fā)器82C250，主要是考慮到SJA1000同時支持 CAN2.0A和CAN2.0B協(xié)議，通信速率可達1Mbps。單片機控制器既負責總線控制器SJA1000初始化，亦通過控制實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務。電路原理如圖6所示。

圖6 CAN總線節(jié)點電路

另外，82C250與CAN總線接口部分采用了一定安全和抗干擾措施。為增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，在CAN控制器SJA1000的 TX0和RX0不直接與CAN收發(fā)器82C250的TXD和RXD相連，而是通過加接6N137高速光電隔離器，實現(xiàn)了總線上各節(jié)點間的電氣隔離［3］。 82C250的CANH和CANL引腳各自通過電阻與CAN總線相連，保護82C250免受過流的沖擊。CANH和CANL與地之間并聯(lián)了兩電容，起到濾除總線高頻干擾和防電磁輻射的作用。

3.6 檢測系統(tǒng)設計

圖7 CAN總線檢測系統(tǒng)原理圖

由于CAN總線傳輸距離遠，傳輸速率快，有較強的抗電磁干擾能力，已成為國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，成為一種國際標準（ISO-11898）［4］。本設計將各檢測控制裝置、控制節(jié)點等通過總線連接組成CAN 總線通信系統(tǒng)方便實現(xiàn)智能分布式實時檢測控制等。在控制系統(tǒng)領域具有非常廣闊的應用前景。本系統(tǒng)組成原理如圖7所示。另外，可通過上位機、上位節(jié)點聯(lián)接實現(xiàn)對所有檢測控制裝置集中管理，同時向控制器下傳工作模式控制信息，利用PC機方便控制區(qū)域內檢測控制裝置工作，根據(jù)實際情況修改程序，擴展系統(tǒng)功能。

4、結束語

分布式安全檢測控制系統(tǒng)設計簡單、安裝方便、性能穩(wěn)定、工作可靠、實用性強，系統(tǒng)通過不同裝置之間互聯(lián)，擴大了區(qū)域控制范圍。本系統(tǒng)可用于機械、紡織、食品等加工領域，在生產(chǎn)現(xiàn)場有效地保障了人員誤闖入或誤動作，從而有效地保證了生產(chǎn)的正常進行和產(chǎn)品質量的提高。通過系統(tǒng)功能擴展，可實現(xiàn)其他工業(yè)控制，有廣泛的應用前景。