智能測(cè)控儀表系統(tǒng)的ＣＡＮ總線及接口研究

樸正哲　宋曉燕

摘要:分析了CAN現(xiàn)場(chǎng)總線特點(diǎn),提出了智能測(cè)控儀表系統(tǒng)的CAN總線通信方案,闡述了智能儀表中通用CAN通信接口的硬件設(shè)計(jì)與軟件實(shí)現(xiàn)框圖。

關(guān)鍵詞:智能測(cè)控儀表;CAN總線;單片機(jī)

智能儀表是自動(dòng)化學(xué)科的重要組成部分,隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展及工業(yè)控制自動(dòng)化程度的提高,尤其是微電子、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)日新月異的變化,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)控制儀表的智能化程度的要求也越來越高,同時(shí),工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模也在不斷擴(kuò)大,對(duì)生產(chǎn)過程的集中監(jiān)控要求也日趨迫切,這就要求儀表具備較強(qiáng)的遠(yuǎn)距離通訊的功能,智能儀表逐漸向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展。智能儀表一方面可以進(jìn)行人機(jī)對(duì)話及與外部?jī)x器設(shè)備對(duì)話,通過現(xiàn)場(chǎng)總線接入自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng);另一方面,使用者借助面板上的鍵盤和顯示屏,可用對(duì)話方式選擇測(cè)量功能,設(shè)置參數(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生反映了儀器儀表自身發(fā)展的需要。而在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域內(nèi),長(zhǎng)期以來使用RS-232通信標(biāo)準(zhǔn),盡管被廣泛的使用,但卻是一種低數(shù)據(jù)速率和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn),無能力支持更高層次的計(jì)算機(jī)之間的功能操作。同時(shí),在復(fù)雜或大規(guī)模應(yīng)用中,需要使用大量的傳感器、執(zhí)行器和控制器等,它們通常分布在非常廣的范圍內(nèi),所以在底層,的確需要一種造價(jià)低廉而又能適應(yīng)工收現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的通信系統(tǒng),現(xiàn)場(chǎng)總線就是在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生的?，F(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一,被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng),是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、在微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng),也被稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的低層控制網(wǎng)絡(luò),是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。由于它適應(yīng)了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的方向,在減少系統(tǒng)線纜,簡(jiǎn)化系統(tǒng)安裝、維護(hù)和管理,降低系統(tǒng)的投資和運(yùn)行成本,增強(qiáng)系統(tǒng)性能等方面的優(yōu)越性,它一經(jīng)產(chǎn)生便成為全球工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的熱點(diǎn),受到全世界的普遍關(guān)注。

自20世紀(jì)80年代末以來,有幾種類型的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)己經(jīng)發(fā)展成熱并且廣泛應(yīng)用于特定的領(lǐng)域。這些現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)各具特點(diǎn),有的已經(jīng)逐漸形成自己的產(chǎn)品系列,占有相當(dāng)大的市場(chǎng)份額。幾種比較典型的現(xiàn)場(chǎng)總線有CAN總線、LonWorks總線、PROFIBUS總線等。CAN(ControlAreaNetwork)總線是山德國(guó)BOSCII公司為實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信而設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)總線。與一般的通信總線相比,CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性,使其應(yīng)用范圍不再局限于幾汽車工業(yè),而向機(jī)械工業(yè)、過程工業(yè)等領(lǐng)域發(fā)展,更適合現(xiàn)場(chǎng)級(jí)工業(yè)監(jiān)控設(shè)備的互聯(lián)。CAN總線規(guī)范已經(jīng)成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),被公認(rèn)為幾種最有發(fā)展前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。具體來說,CAN具有以下特點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,只有兩根線與外部相連;通信方式靈活,以多主方式下作而不分主從,可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù);廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼,而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼;采用短幀格式,每幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度最多為8個(gè)字節(jié),可滿足工業(yè)控制領(lǐng)域的一般要求。同時(shí)8個(gè)字節(jié)不會(huì)占用總線時(shí)間過長(zhǎng),從而保證了通信的實(shí)時(shí)性;采用非破壞性總線仲裁技術(shù);采用CRC檢驗(yàn)并提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能,保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性;CAN節(jié)點(diǎn)具有自動(dòng)關(guān)閉功能,在節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況時(shí)自動(dòng)切斷與總線的聯(lián)系,這樣可不影響總線正常工作。

1智能測(cè)控儀表的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一個(gè)典型的基于CAN總線的智能測(cè)控儀表的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),系統(tǒng)主要由兩部分組成:上位機(jī)和智能測(cè)控儀表,測(cè)控儀表的主要任務(wù)是接收來自上位機(jī)的命令完成工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種模擬量的采集和實(shí)現(xiàn)對(duì)各種生產(chǎn)設(shè)備的控制,而上位機(jī)則負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)智能測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和管理,其任務(wù)包括CAN節(jié)點(diǎn)狀態(tài)消息的顯示及報(bào)警、向CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令及控制參數(shù)、接收CAN節(jié)點(diǎn)數(shù)抓、曲線顯示、存儲(chǔ)打印等。這些功能可利用現(xiàn)代微機(jī)豐富的資源和強(qiáng)大的功能實(shí)現(xiàn),除此之外,通過對(duì)采集數(shù)據(jù)的后臺(tái)處理,還可實(shí)現(xiàn)諸如數(shù)字濾波PFT變換等智能化功能,CAN通信采用兩線接口,要進(jìn)行通信的各節(jié)點(diǎn)的控制器通過CAN驅(qū)動(dòng)器連接到CAN總線上,各節(jié)點(diǎn)在CAN通信中沒有物理地址,而是采用軟件ID辨識(shí)的方式對(duì)在總線上廣播的信息進(jìn)行過濾,以及當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)需要同時(shí)信息傳送時(shí)決定信息傳送的優(yōu)先級(jí)。

芯片與CAN總線的通信通過CAN總線收發(fā)器進(jìn)行,CAN總線收發(fā)器是CAN控制器和物理總線間的接口,提供對(duì)總線的差動(dòng)放人和接收功能。要實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與CAN總線的通信,必須借助于PC機(jī)的CAN通信卡,這種卡市場(chǎng)上有很多,可根據(jù)需要進(jìn)行選擇,亦可自行設(shè)計(jì)智能測(cè)控儀表的接口設(shè)計(jì)

CAN總線是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議,在CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能,可以完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理。

SJA1000是Philips公司PCA82C200型CAN控制器的后續(xù)產(chǎn)品,在軟件和引腳上均與PCA82C200兼容,井增加了許多新的功能,性能更佳,尤其適用于對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化、診斷和維護(hù)要求比較高的場(chǎng)合。SJA1000的功能由以下幾部分構(gòu)成:接口管理邏輯;發(fā)送緩沖器,能夠存儲(chǔ)1個(gè)完整的報(bào)文事(擴(kuò)展的或標(biāo)準(zhǔn)的);驗(yàn)收濾波器;接收F1F0;CAN核心模塊。

SJA1000的一端與單片機(jī)相連,另一端與CAN總線相連。但是,為了提高單片機(jī)對(duì)CAN總線的驅(qū)動(dòng)能力,可以把82C250作為CAN控制器和物理總線間的接口,以提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送能力和對(duì)CAN控制器的差動(dòng)接收能力。

若用SJA1000作為流量計(jì)的CAN控制器,與CPU(單片機(jī))相連,再通過PCA82C250組成CAN總線。這種結(jié)構(gòu)很容易實(shí)現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的信息收發(fā),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的控制。

CAN通信協(xié)議主要由CAN控制器完成,SJA1000是適用于汽車和一般工收環(huán)境控制器局域網(wǎng)(CAN)的高集成度控制器,具有完成高性能通信協(xié)議所要求的全部特性,具有簡(jiǎn)單總線連接的SJA1000可完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能,應(yīng)用層功能可由微控制器完成,SJA1000為其提供多用途的接口。

SJA1000操作期間,在上電之前必須配置控制線路(中斷、復(fù)位、片選等)建立與CAN控制器之間通信的硬件連接。初始化、CAN通信采用中斷方式數(shù)據(jù)發(fā)送和接收子程序。

如果在上電后獨(dú)立CAN控制器在引腳17得到1個(gè)復(fù)位脈沖(低電平),它就能夠進(jìn)入復(fù)位模式。在對(duì)SJA1000寄存器設(shè)置前,CAN控制器通過讀復(fù)位模式請(qǐng)求標(biāo)志來檢查是否己進(jìn)入復(fù)位模式,因?yàn)橐渲眯畔⒌募拇嫫髦挥性趶?fù)位模式才能寫入,并涉及到對(duì)控制寄存器CR、驗(yàn)收碼寄存器(ACR)驗(yàn)收屏蔽寄存器(AMR)、總線定時(shí)寄存器(BTRO和BTR1)輸出控制寄存器(OCR)的初始化編程。時(shí)鐘分頻寄存器可以選擇BasicCAN或PeliCAN工作模式,設(shè)置CLKOUT引腳使能用來選擇頻率,設(shè)置是否使用旁路CAN輸入比較器和是否使用TX1輸出用為專門的接收中斷輸出。驗(yàn)收代碼和驗(yàn)收屏蔽寄存器的設(shè)置可以過濾信息,為收到的信息定義驗(yàn)收代碼;為與驗(yàn)收代碼相關(guān)位比較定義驗(yàn)收屏蔽代碼。

總線定時(shí)寄存器定義總線上的位速率。輸出控制寄存器定義CAN總線輸出引腳TX0和TX1的輸出模式,定義TX0和TX1輸出引腳配置是懸空、下拉、上拉或推挽以及極性。中斷寄存器設(shè)置允許識(shí)別的中斷源。

2結(jié)語

多個(gè)智能儀表通過CAN接口與PC連成總線網(wǎng),其系統(tǒng)運(yùn)行良好。這種基于現(xiàn)場(chǎng)總線的智能儀表系統(tǒng)抗干擾性強(qiáng)、性能可靠,無論是測(cè)量速度、精確度和自動(dòng)化程序還是性價(jià)比都是傳統(tǒng)儀表不能比擬的,是今后儀器儀表發(fā)展的方向。

參考文獻(xiàn)

[1]柯艷明.智能測(cè)控儀表系統(tǒng)的CAN總線通信方案[J].山西電子技術(shù),2007,(2):29-31.

[2]王文華.智能儀表的CAN接口設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子元器件,2006,(3):9-11.

[3]劉小強(qiáng),粟梅.基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2006,(9).