一種用於NOx傳感器的CAN總線轉4-20mA的數據信號轉換裝置製造方法
2023-05-19 18:02:36
一種用於NOx傳感器的CAN總線轉4-20mA的數據信號轉換裝置製造方法
【專利摘要】本發明屬於工業控制領域，具體涉及一種適用於基於CAN協議的可以將基於CAN協議的數字量信號裝換為工業通用的4-20mA信號的用於NOx傳感器的CAN總線轉4-20mA的數據信號轉換裝置。本發明包括NOx傳感器1，第一CAN總線接口2、第二CAN總線接口3，數據處理模塊5，第一光電隔離模塊4、第二光電隔離模塊6，4-20mA輸出電路7。本發明裝置中的NOx傳感器信號傳輸可採用兩種工作模式，當採用冗餘數據轉換模式時，一路數據傳輸出現故障後能夠切換到另一路，保證系統運行的的可靠性。
【專利說明】—種用於NOx傳感器的CAN總線轉4-20mA的數據信號轉換裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬於工業控制領域，具體涉及一種適用於基於CAN協議的可以將基於CAN協議的數字量信號裝換為工業通用的4-20mA信號的用於NOx傳感器的CAN總線轉4_20mA的數據信號轉換裝置。
【背景技術】
[0002]隨著社會的發展和環保意識的提高，世界對內燃機尾氣排放中NOx的排放量要求越來越嚴格。為了能夠迅速準確的檢測NOx含量，解決NOx的排放問題，NOx傳感器的應用變的越來越普遍。目前大部分NOx傳感器內部為CAN總線控制單元，通過CAN總線輸出NOx濃度大小。CAN總線具有較高的位速率、較高的抗電磁幹擾性和很強的檢錯糾錯能力，而且具有成本低，可靠性高，安裝維護費用低的特點，已被廣泛應用於汽車、船舶工業、交通運輸、工業控制等領域。
[0003]然而在工業控制應用領域，特別是PLC控制系統中，CAN總線應用並不廣泛，即使有CAN總線模塊，其價格也不菲。在工業控制系統中，4-20mA模擬量信號被廣泛使用，它用4mA表不零信號，用20mA表不信號的滿刻度,而低於4mA高於20mA的信號用於各種故障的報警。4-20mA模擬量信號具有輸出距離遠，信號抗幹擾能力強，使用方便的優點。
[0004]為了將NOx傳感器應用於工業控制領域，就必須實現NOx傳感器CAN總線數據與4-20mA模擬量信號之間的轉換，因此也就需要數據轉換裝置。中國專利申請號201020661289.9提出了一種模擬量輸出裝置，包括電源、微處理器、CAN總線單元、光電隔離電路及DA轉換電路，接收數字量信號轉換為模擬量信號，實現對信號的處理。中國專利申請號201120349179.3提出了一種光電隔離式4?20mA輸出裝置，包括微處理器、開關光耦、整形器、DA轉換器和4?20mA環流發生器，無誤差的轉換數位訊號為4?20mA模擬量信號。由於工業領域對可靠性的要求比較高，上述專利均為單路轉換裝置，可靠性不高，環境適應性較差，應用受到限制。
[0005]中國專利號200710132579.7中提出了一種雙路4-20mA直流模擬量輸出裝置，該
裝置由高速光隔離器、數/模轉換器、運算放大器、電壓基準源組成；其中，高速光隔離器、數/模轉換器、運算放大器順序串聯連接，該電路可以通過FPGA的IO 口模擬雙路SPI通信線，將微處理器給出的並行數字信息轉成DAC要求的串行數字流輸出，實現4-20mA的直流模擬量輸出。該轉換裝置缺陷是當一路出現故障時，導致與其對應的另一側陷入癱瘓，重者會導致整個裝置無法正常工作。本發明裝置中的NOx傳感器信號傳輸可採用兩種工作模式，當採用冗餘數據轉換模式時，一路數據傳輸出現故障後能夠切換到另一路，保證系統運行的的可靠性。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在於提供一種用於NOx傳感器的CAN總線轉4_20mA的數據信號轉換裝置。
[0007]本發明的目的是這樣實現的:
[0008]本發明包括NOx傳感器1，第一 CAN總線接口 2、第二 CAN總線接口 3，數據處理模塊5,第一光電隔離模塊4、第二光電隔離模塊6,4-20mA輸出電路7, NOx傳感器I輸出數字量信號，經過兩路CAN總線通過光電隔離模塊4的信號隔離，傳送到數據處理模塊5，數據處理模塊的信號經過第二光電隔離模塊6發送給4-20mA輸出電路7轉化為4_20mA模擬量信號。
[0009]光電隔離模塊採用高速光藕TLP521-4，數據處理模塊採用16位微處理器MC9S12XDP512,
[0010]本發明的有益效果在於:
[0011]本發明裝置中的NOx傳感器信號傳輸可採用兩種工作模式，當採用冗餘數據轉換模式時，一路數據傳輸出現故障後能夠切換到另一路，保證系統運行的的可靠性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1是本發明的結構示意圖。
[0013]圖2是本發明的工作示意圖。
[0014]圖3為本發明的冗餘數據故障處理過程。
[0015]圖4為本發明的光耦隔離輸出電路。
[0016]圖5為本發明的CAN接收器電路。
[0017]圖6為本發明的4_20mA轉換電路。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖對本發明做進一步描述。
[0019]本發明在於提供一種用於NOx傳感器的CAN總線轉4_20mA的數據信號轉換裝置，具體實施方案如下:
[0020]用於NOx傳感器的CAN總線轉4_20mA的數據信號轉換裝置，包括NOx傳感器1，CAN總線接口 2、3，數據處理模塊5，光電隔離模塊4、6，4-20mA輸出電路7、工作方式設置8和LED燈指示故障報警9等。上述模塊之間信號傳遞，以NOx傳感器I開始，依次經過CAN總線接口 2、3，光電隔離模塊4，數據處理模塊5，光電隔離模塊6，4-20mA輸出電路7，使數字量信號轉化為4-20mA模擬量信號。
[0021]通過工作方式設置跳線8，使本裝置實現雙通道獨立和冗餘數據轉化兩種工作方式。
[0022]NOx傳感器I輸出數字量信號，經過數據處理後轉換成4_20mA模擬量信號，4mA表示NOx傳感器量程的起點，20mA表示NOx傳感器量程的終點。
[0023]數據處理模塊5可對NOx傳感器I的數據進行判斷和處理，適應本裝置在不同的工作方式下工作，保證裝置工作的可靠性。若數據處理模塊5判斷發生故障時，LED燈指示故障報警9發出燈光報警信息提示。
[0024]光電隔離模塊4、6對輸入、輸出數據進行隔離處理，使本裝置具有較好的環境適應性，抗幹擾能力強。[0025]圖1中NOx傳感器I，CAN總線接口 2、3，光電隔離模塊4、6，數據處理模塊5，4_20mA輸出電路7，工作方式設置8和LED燈指示故障報警9。
[0026]本發明結構如圖1所示，主要包括NOx傳感器1，CAN總線接口 2、3，數據處理模塊4，光電隔離模塊5、6，4-20mA輸出電路7，工作方式設置8和LED燈指示故障報警9等。上述模塊之間信號傳遞，以NOx傳感器I開始，依次經過CAN總線接口 2、3，光電隔離模塊4，數據處理模塊5，光電隔離模塊6，4-20mA輸出電路7，將NOx傳感器I輸出的數字量信號轉換為4-20mA模擬量信號輸出。
[0027]本發明工作如圖2所示，主要包括電源電路，復位電路，晶振電路，微處理器，光耦電路，兩路CAN收發，開關量輸入輸出，模擬量輸出組成。兩路CAN收發器通過光耦電路與微處理器交換數據，微處理器對輸入數據進行處理，輸出4-20mA模擬量信號。開關量輸入輸出包括微處理器的工作方式設置和聲光報警信號輸出等。
[0028]本發明數據處理模塊5的核心是微處理器，微處理器具有兩路以上獨立的CAN控制器，為兩路CAN總線設定接收中斷，賦予相應的中斷優先權，分配不同的接收數據緩衝區、發送數據緩衝區，以及完成數據協議轉換工作。數據處理模塊5接收NOx傳感器傳輸的數據，存入緩存區，按照協議轉換。
[0029]本發明裝置具有兩路以上的信號轉換功能，通過工作方式設置8的跳線，可實現雙通道獨立和冗餘數據轉化的兩種工作方式。獨立數據轉化工作方式時，每個通道可以獨立工作，實現兩路輸入輸出；冗餘數據轉化工作方式時，兩個通道NOx傳感器採集一個點的數據，經過數據處理和故障判斷，數據處理模塊5轉化相對正確的一個數據並輸出給兩個通道，實現通道的冗餘，保證裝置的可靠性。
[0030]本發明採用冗餘數據轉化工作方式工作時，數據處理模塊5同時接收兩路CAN總線數據，對每一個通道，數據處理模塊5首先判斷數據是否超出上下限，然後將本通道前多個測量數據的平均值和本次數據進行比較，超出設定閾值，判定故障；當兩路CAN總線數據相差較大時，對每一個通道，再將本次數據和本通道前多個測量數據的外插預測值進行比較，取誤差小的一路作為正確值，另一路認為故障；發生故障時，LED燈指示故障報警9發出燈光報警。
[0031]本裝置接收NOx傳感器信號，兩路CAN總線通過光電隔離模塊4的信號隔離，傳送到數據處理模塊5。光電隔離模塊採用高速光藕TLP521-4，使總線上的電壓波動不會影響控制模塊，光電隔離模塊輸出電路如圖4所示。
[0032]控制模塊5採用freescale公司16位微處理器MC9S12XDP512，片內資源豐富，具有5路獨立的CAN總線控制器，採用單片模式即可滿足要求，避免了外部總線擴展，增強了系統的可靠性。該處理器具有XGATE模塊，可以承擔CPU外圍設備的處理任務，支持更多的確定性中斷處理，避免了執行信息接收發送、通信轉換時核心功能和中斷處理的衝突。
[0033]數據處理模塊5接收兩路CAN總線數據，轉存入兩路CAN數據緩衝模塊TJA1050，電路如圖5所示。接收數據具體長度可根據轉換速率、CAN總線的波特率以及CAN總線應用層協議而定，其作用主要是消除協議轉換模塊波特率的不同帶來的數據堆積，以及為數據處理和校驗提供完整的應用層協議的數據段。
[0034]本裝置數據處理具體過程如下:
[0035](I)從CAN總線接口 2、3讀入數據；[0036](2)從讀入的數據中提出有關NOx濃度的數據In ；
[0037](3)將 In 轉化為 NOx 濃度 Data，Data=InX0.005-200，Data 的數值範圍為[O, 1500];
[0038](4)如果 Data>1500 或者 Data〈0，發出報警；
[0039](5)通過4_20mA輸出電路輸出電流。採用16位轉化電路時輸出值0UT=65535X Data/1500;
[0040]本裝置冗餘數據故障處理具體過程如下:
[0041](I)從CAN總線接口 2、3讀入數據；
[0042](2)得到兩個通道處理的NOx濃度數據Datal和Data2 ；
[0043](3)如果 Datal〈0 或者 Datal>1500，發出報警；
[0044](4)如果 Data2〈0 或者 Data2>1500，發出報警；
[0045](5)如果Datal-Data2 ( E，輸出CAN總線接口 I的數據；
[0046](6)如果|Datal_Data2|>E，E為設定閾值，利用CAN總線接口 I獲得的前三個數據進行三次方程插值，得到本次CAN總線接口 I的預測數據值Datal*;利用CAN總線接口2獲得的前三個數據進行三次方程插值，得到本次CAN總線接口 2的預測數據值Data2*;
[0047](7)計算|Data*l_Datal I和I Data*2_Data2 | ,取兩者誤差最小的一路通道數據為真值；
[0048](8)如果 I Data*l_Datal I >E,並且 | Data*2_Data2 | >E,發出報警,流程如圖 3所示。
[0049]4_20mA輸出轉換採用AD421晶片，它是一種單片高性能數模轉換器(DAC)，由電流環路供電，16位數位訊號串行輸入，4-20mA電流輸出，符合工業控制標準信號輸出要求，可較好的實現遠程工業控制，電路如圖6所示。
[0050]另外系統中的噪聲主要來自於電源，要對電源進行濾波電路處理，儘量減小電源的噪聲。本發明採用muRata公司的組合式電源濾波器BNX002，在0.5M-lGHz範圍內有較高的插入損耗，可同時抑制電源線與地線噪聲。
【權利要求】
1.一種用於NOx傳感器的CAN總線轉4-20mA的數據信號轉換裝置，包括NOx傳感器(1)，第一 CAN總線接口( 2)、第二 CAN總線接口( 3)，數據處理模塊(5)，第一光電隔離模塊(4)、第二光電隔離模塊(6)，4-20mA輸出電路(7)，其特徵在於:Ν0χ傳感器(1)輸出數字量信號，經過兩路CAN總線通過光電隔離模塊(4)的信號隔離，傳送到數據處理模塊(5)，數據處理模塊的信號經過第二光電隔離模塊(6)發送給4-20mA輸出電路(7)轉化為4_20mA模擬量信號。
2.根據權利要求1所述的一種用於NOx傳感器的CAN總線轉4-20mA的數據信號轉換裝置，其特徵在於:所述光電隔離模塊採用高速光藕TLP521-4，數據處理模塊採用16位微處理器 MC9S12XDP512。
【文檔編號】H04L29/10GK103903412SQ201410121134
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月28日 優先權日:2014年3月28日
【發明者】石勇, 李文聽, 孫軍, 塗必慶 申請人:哈爾濱工程大學