工業(yè)現(xiàn)場CAN總線集線器開發(fā)?

周 琦 龔元明

（上海工程技術大學汽車工程學院 上海 201620）

1 引言

在智能制造領域，總線集線器是適用于工業(yè)控制最底層的簡單傳感器和執(zhí)行器的工業(yè)通信接口，能采集多路數(shù)字量模擬量信號［1］。總線集線器支持多從站和主站點對點通信，各從站之間互不影響，具有良好的通信穩(wěn)定性，同時具有智能可配置性?？偩€集線器使工廠自動化設備中典型應用的傳感器網(wǎng)絡變得更高效和智能化，能夠為工業(yè)傳感器制造商在工業(yè)4.0時代提供支持［2］。

CAN總線采用差分信號傳輸，抗干擾能力強，最高傳輸速率可達1Mbps，最大通信距離可達10km，可以大大降低信息傳輸延時，適用于對通信時序較為嚴格的控制系統(tǒng)［3］?？紤]到CAN總線啟用成本低、可靠性高的優(yōu)點，在工業(yè)自動化電子領域中廣泛應用，因此基于CAN總線協(xié)議對集線器開發(fā)設計。

2 系統(tǒng)總體設計

CAN總線集線器以英飛凌XC2234L為微控制器，通過底層驅動對GPIO接口施密特觸發(fā)器的開關切換，可配置為數(shù)字量/模擬量輸入通道。設置M8物理接口，總共可采集16路傳感器信號，通過自定義協(xié)議將傳感器信號打包成CAN報文格式，由GPT單元對外定時發(fā)送。CAN總線集線器通過USB-CAN和上位機連接，基于CCP協(xié)議對Flash區(qū)的CAN參數(shù)進行標定，以適應不同工作環(huán)境。集線器總體設計結構如圖1所示。

圖1 集線器總體設計結構

為了滿足智能制造領域多從站和主站通信的要求，可配置各集線器不同CANID作為從站，通過CAN轉以太網(wǎng)網(wǎng)關和主站PLC連接。在實際應用中以西門子S7-1200 PLC作為主站，采用泗博自動化公司的CAN轉Profinet網(wǎng)關進行主從連接［4］。CAN總線集線器采集工業(yè)現(xiàn)場電壓信號、電流信號、溫度信號等參數(shù)，經(jīng)網(wǎng)關協(xié)議轉換后傳入S7-1200PLC，整體系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 主站和多從站系統(tǒng)結構圖

3 硬件設計

本CAN總線集線器基于英飛凌XC2234L單片機設計實現(xiàn)。XC2234L是16位微控制器，包含MultiCAN接口、通用輸入/輸出端口（GPIO）以及16路A/D轉換通道，F(xiàn)lash閃存容量可達320KB［5］，完全滿足本設計要求。硬件設計主要包括電源模塊、CAN通信模塊和信號采集模塊。

3.1 電源模塊

圖3所示為電源模塊電路原理圖。為防止電源正負極接反時電路導通，在電源輸入端加入了二極管，保護后級電路。由于硬件系統(tǒng)最大驅動電壓為5V，采用開關型降壓穩(wěn)壓器LM2576-5，配合二極管1N5819，穩(wěn)定輸出5V電壓。為主控制器和CAN收發(fā)器模塊提供工作電壓。

圖3 電源模塊原理圖

3.2 CAN通信電路

CAN通信模塊主要包括CAN控制器、CAN收發(fā)器、終端電阻和防靜電保護電路。英飛凌XC2234L微控制器集成了兩路MultiCAN接口，支持CAN V2.0B規(guī)范。CAN收發(fā)器采用英飛凌TLE6250GV33，數(shù)據(jù)傳輸速率高達1MBaud，可以承受工業(yè)現(xiàn)場惡劣條件。TxD引腳和RxD引腳分別實現(xiàn)CAN報文的發(fā)送和接收，CANH引腳和CANL引腳實現(xiàn)差分信號傳輸，中間嵌入120歐姆終端電阻，增強抗干擾能力。CAN通信電路如圖4所示。

圖4 CAN通信模塊原理圖

3.3 信號采集電路

信號采集分為開關量信號采集和模擬量信號采集，總共16路通道。圖5所示為信號采集模塊原理圖。Vset為16路通道公共端，當5K電阻R39接入電路時為開關量信號采集模式，斷開開關S1則為模擬量信號采集模式。運算放大器MCP6004對模擬信號放大后輸入到單片機。模擬電壓輸入范圍為0～5V，微控制器器采用12位AD精度，對應AD值為0～4095。采用肖特基二極管BAT54s把電壓鉗在0～5V，避免輸入電壓過大而燒毀電路［6］。在XC2234L的GPIO引腳接入雙色共陰LED管，可有效觀測數(shù)字量采集狀況。

4 軟件設計

底層硬件驅動采用Dave軟件配置［7］，集成開發(fā)環(huán)境采用Tasking C166編譯器。Dave對驅動層的配置可直接生成代碼，再通過Tasking加載生成代碼實現(xiàn)應用層功能。軟件設計主要包括通信協(xié)議設計和參數(shù)標定設計。

圖5 信號采集模塊原理圖

4.1 通信協(xié)議設計

本集線器采用M8接口，每個接口可采集兩路信號，共16路輸入信號。CAN報文有效字節(jié)為8個，第一字節(jié)為奇數(shù)端口數(shù)字量信號，第二字節(jié)為偶數(shù)端口數(shù)字量信號，第三字節(jié)為模擬量信號高八位，第四字節(jié)為模擬量信號低八位，第五字節(jié)為模擬量通道號，第六、七字節(jié)分別為A/D轉換通道總數(shù)和數(shù)字量通道總數(shù)。

表1 CAN通信協(xié)議示例

奇數(shù)端口和偶數(shù)端口以0～15依次命名，奇數(shù)端口為0～7，偶數(shù)端口為8～15，對應整型二進制數(shù)的16位。報文ID號為0x281，表1對該通信協(xié)議做示例說明。Byte0值為0x84，對應二進制10000100，表示奇數(shù)端口0和5為高電平。Byte1值為0x24，對應二進制00100100，表示偶數(shù)端口10和端口13為高電平。Byte2和Byte3合并后為16進制0x0418，換算后表示傳感器輸入模擬電壓為1.28V。Byte4值為0x06，表示第六路模擬量通道。Byte6和Byte7為0x08，表示總共啟動8路A/D轉換通道和8路數(shù)字量通道。

底層驅動對XC2234L通用輸入/輸出端口的數(shù)字輸入禁用寄存器Px_DIDIS配置，主要為施密特觸發(fā)器開關狀態(tài)切換［8］，0為使能數(shù)字輸入級，1為禁用數(shù)字輸入級。AD轉換采用XC2234L順序請求源處理模式，通過調用ADC0_vStartSeq0ReqChNum（）函數(shù)啟動AD轉換通道，由ADC0_uwGetResult?Data（）函數(shù)把AD值存放在結果寄存器中，再由CAN_Transmiter（）函數(shù)發(fā)出。該模式根據(jù)啟用的AD通道號依次輪詢，通過CAN報文的形式循環(huán)發(fā)送。

4.2 參數(shù)標定設計

為了使集線器靈活應用于工業(yè)現(xiàn)場交互環(huán)境，可配置CAN總線波特率、幀類型、報文ID、發(fā)送間隔時間等參數(shù)［9］，并可以根據(jù)實際使用需求自由配置數(shù)字量/模擬量通道。

參數(shù)標定采用CCP協(xié)議Polling問答模式［10］。首先在DAVE中配置接收節(jié)點M0和發(fā)送節(jié)點M1，M0節(jié)點ID設為0x001，M1節(jié)點ID設為0x281。在CAN中斷中調用函數(shù)ccpCommand（（CCP_BYTEP?TR）&M0.ubData［0］）。標定參數(shù)Flash區(qū)起始地址設定為0x00C00200，RAM區(qū)映射地址設定如表2所示。

表2 RAM區(qū)參數(shù)地址分配表

一旦接收到0x001報文，立即觸發(fā)CAN中斷。用Connect（0x01）命令建立連接，然后SET_MTA（0x02）命令設置標定參數(shù)地址，DNLOAD（0x03）命令下載參數(shù)標定值［11］，對各個參數(shù)進行解析。DIS?CONNECT（0x07）命令結束標定流程。通過調用CCPFlash函數(shù)庫，主要為ROM區(qū)標定參數(shù)到RAM區(qū)地址映射，扇區(qū)擦除，F(xiàn)lash區(qū)參數(shù)寫入，以實現(xiàn)標定參數(shù)掉電不丟失。其中，CAN波特率通過解析，對XC2234L節(jié)點位時序寄存器CAN_NBTROL進行修改；CAN ID對應報文對象仲裁寄存器CAN_MOAR1H和CAN_MOAR1L；發(fā)送間隔由RTC中斷控制，定時發(fā)送CAN報文。數(shù)字量/模擬量通道分別對應0x01和0x02，通過解析A/DPort_State參數(shù)，啟動相應數(shù)字輸入通道和A/D轉換通道。標定流程如圖6所示。

5 上位機標定軟件設計

上位機基于QT Creator開發(fā)，通過周立功USB-CAN實現(xiàn)智能分線器和上位機的連接，上位機由CAN接口函數(shù)庫開發(fā)［12］。用戶交互主要實現(xiàn)實時監(jiān)測CAN報文以及標定功能。接口函數(shù)調用周立功usb-can二次開發(fā)函數(shù)庫，主要用到以下函數(shù)：

VCI_StartCAN（m_devtype，m_devind，m_can?num）//啟動USB-CAN

VCI_GetReceiveNum（m_devtype，m_devind，m_cannum；//獲取指定緩沖區(qū)數(shù)據(jù)

VCI_Receive（m_devtype，m_devind，m_can?num，frameinfo，50，200）；//CAN數(shù)據(jù)接收

VCI_Transmit（m_devtype，m_devind，m_can?num，&frameinfo，1）；//CAN數(shù)據(jù)發(fā)送

圖6 下位機標定流程

啟動USB-CAN時，首先初始化CAN配置，包括幀過濾驗收碼、屏蔽碼、濾波方式以及波特率定時器［13］。然后讀取設備信息、設置設備參數(shù)、清除緩沖區(qū)。由于接收到的CAN報文會預先存入緩沖區(qū)，所以VCI_GetReceiveNum函數(shù)主要用途是配合VCI_Receive函數(shù)使用，先檢測緩沖區(qū)是否有未讀幀數(shù)，再接收，避免了系統(tǒng)一直調用VCI_Receive，節(jié)省了PC系統(tǒng)資源，提高運行效率。標定協(xié)議按照下位機CCP協(xié)議編寫，每條報文格式參照VCI_CAN_OBJ結構體，由于下位機接收節(jié)點ID固定，所以只需要定義VCI_CAN_OBJ數(shù)組的首指針和每條報文的有效字節(jié)。參照下位機標定設計，主要步驟為建立連接、設置RAM區(qū)參數(shù)標定地址、寫入數(shù)據(jù)和斷開連接，由VCI_Transmit函數(shù)依次發(fā)送CAN報文命令。主要步驟如圖7所示。

上位機主界面主要是建立和集線器的連接，觀察集線器CAN報文的收發(fā)情況。子界面為標定界面，可自由配置集線器CAN總線各參數(shù)。標定界面如圖8所示。

圖7 上位機操作流程

圖8 集線器CAN參數(shù)標定界面

6 西門子PLC編程及可靠性測試

PLC作為主站，經(jīng)過CAN轉Profinet網(wǎng)關實現(xiàn)和智能集線器從站之間的通信［14］。網(wǎng)關配置軟件為泗博自動化公司的TC-123，該軟件可完成TCO-151的配置，包括設備IP地址，子網(wǎng)掩碼，網(wǎng)關地址和設備名稱，CAN通信波特率，網(wǎng)關節(jié)點號，PDO（過程傳輸對象）訪問條目等參數(shù)。網(wǎng)關配置如圖9所示。

圖9 TCO-151網(wǎng)關配置

西門子S7-1200PLC程序由博圖V13編寫，首先加載第三方網(wǎng)關GSD文件完成硬件組態(tài)［15］，完成輸入/輸出8個字節(jié)的映射地址。圖10梯形圖為一組開關量校驗程序，IN1和IN2進行與運算，當結果不為0時，線圈閉合。按照CAN通信協(xié)議編寫共16組校驗程序。對于模擬量的監(jiān)控可觀察報文接收數(shù)組的變化。

圖10 開關量校驗程序

由上位機標定軟件配置前八個通道為模擬量輸入，后八個通道為數(shù)字量輸入。給數(shù)字通道輸入5v電壓，模擬通道輸入0～5V可調電壓，觀察AD值變化。當給第七通道輸入2.4V電壓時，對應AD值應為0x7e2。第八通道輸入開關量信號。打開博圖軟件監(jiān)控功能，圖10開關量校驗程序中線圈Q1.0閉合，可驗證開關量輸入準確無誤。報文接收數(shù)組如圖11所示，接收報文為00 80 07 e2 07 00 08 08，符合預期結果。

圖11 報文接收數(shù)組窗口

7 結語

本文利用英飛凌XC2234L單片機設計開發(fā)了CAN總線集線器，對硬件電路、底層軟件和上位機標定界面、西門子PLC編程做了詳細介紹。通過實驗模擬和測試，實現(xiàn)了對傳感器信號進行準確采集和在線標定CAN節(jié)點等功能，實時性好，運行平穩(wěn)，在工業(yè)自動化領域有著廣闊的應用前景。