熱網(wǎng)現場(chǎng)控制器的CAN網(wǎng)絡(luò )通信設計

摘    要：本文重點(diǎn)介紹了CAN總線(xiàn)在熱網(wǎng)監控系統中的應用，設計了基于DSP的現場(chǎng)測控器硬件系統，制定了用戶(hù)層通信協(xié)議，并詳細介紹了CAN網(wǎng)絡(luò )通信部分的硬件和軟件。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò )通信；CAN；現場(chǎng)控制器；DSP；熱網(wǎng)監控

引言
目前我國北方許多城市已經(jīng)或者即將進(jìn)行熱網(wǎng)改造工程，將傳統的分散供熱改造為集中供熱。
由于CAN總線(xiàn)相比其它現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)具有眾多優(yōu)點(diǎn)，因此在工業(yè)中的應用越來(lái)越廣泛。本文基于該總線(xiàn)技術(shù)針對熱網(wǎng)監控系統開(kāi)發(fā)的現場(chǎng)控制和通信的子系統，能安全可靠地實(shí)現現場(chǎng)數據采集、閉環(huán)控制及數據傳輸。鑒于篇幅,本文重點(diǎn)介紹CAN網(wǎng)絡(luò )通信部分的設計與實(shí)現。

系統結構及其硬件構成

系統結構

熱網(wǎng)監控系統主要由上位機和現場(chǎng)控制器組成，總體結構如圖1所示。
熱網(wǎng)監控系統是在一次設備(傳感器、變送器、各種執行機構)的基礎上完成對熱網(wǎng)的監測與控制，通過(guò)調節熱管網(wǎng)的供水流量、供水溫度、供水壓力，來(lái)保證熱網(wǎng)安全、可靠、高效、穩定的運行。根據上述要求，本系統在保證系統可靠工作和降低成本的條件下，考慮到通用性、實(shí)時(shí)性和可擴展性等方面的因素，采用了主要由上位計算機系統和現場(chǎng)控制器構成的系統結構。

系統工作過(guò)程如下:上位機首先初始化CAN網(wǎng)卡,設置網(wǎng)卡工作模式、接收碼、接收掩碼和波特率，然后進(jìn)入運行狀態(tài),在適當條件下與現場(chǎng)控制器進(jìn)行通信?，F場(chǎng)控制器主要完成現場(chǎng)數據的采集與處理和現場(chǎng)設備的控制等功能,并以查詢(xún)或中斷方式與主機進(jìn)行通信。

圖1 熱網(wǎng)監控系統總體結構

硬件系統

CAN網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構采用總線(xiàn)式結構，其結構簡(jiǎn)單、成本低、系統可靠性高。信息的傳輸采用CAN通信協(xié)議，通信介質(zhì)采用雙絞線(xiàn)。

圖4 通用定時(shí)器周期中斷服務(wù)程序


現場(chǎng)控制器
現場(chǎng)控制器的結構框圖如圖2所示。
該現場(chǎng)控制器具有14路模擬量輸入端口、2路模擬量輸出端口、4路開(kāi)關(guān)量輸入端口、4路開(kāi)關(guān)量輸出端口以及時(shí)鐘接口、數據存儲接口、液晶顯示接口、網(wǎng)絡(luò )通信接口、報警輸出接口等。本系統采用了TI公司的帶有10位ADC和CAN控制器的DSP芯片TMS320LF2407A作為CPU。

網(wǎng)絡(luò )通信接口單元是用來(lái)對CAN總線(xiàn)進(jìn)行讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)的部分控制電路。當需要發(fā)送數據時(shí)，CPU將數據交給網(wǎng)絡(luò )接口單元電路，由網(wǎng)絡(luò )接口單元電路進(jìn)行數據格式轉換、串并轉換和信號形式轉換，并將數據按照CAN協(xié)議信號形式發(fā)送到CAN總線(xiàn)上。當CAN總線(xiàn)上有數據時(shí)，它負責從CAN總線(xiàn)上讀取數據。首先通過(guò)幀過(guò)濾功能判斷是否接收此幀，若接收，則通過(guò)與發(fā)送相反的過(guò)程，將數據交給CPU。

CAN通信軟件設計與實(shí)現

CAN遵從OSI模型，按照OSI基準模型，CAN結構劃分為兩層：數據鏈路層和物理層。然而，在實(shí)際應用中，即使只是實(shí)現簡(jiǎn)單的基于CAN的分布式系統，僅有物理層和數據鏈路層也是遠遠不夠的。比如對于傳輸長(cháng)度超過(guò)8個(gè)字節的數據塊、帶有握手協(xié)議的數據傳輸過(guò)程、標識符分配以及通過(guò)網(wǎng)絡(luò )管理節點(diǎn)等功能就不能實(shí)現。

因此需要在這兩層之外附加一層來(lái)支持應用過(guò)程，即應用層。這一層功能對應OSI基準模型中的上五層，主要完成網(wǎng)絡(luò )層和傳輸層的工作，提供接口，使得通信模塊和具體應用模塊分離。針對熱網(wǎng)監控系統，應用層協(xié)議需要通信雙方具體協(xié)商制定。

CAN通信應用層協(xié)議

現場(chǎng)控制器軟件設計中與上位機的通信是最關(guān)鍵的部分之一。針對熱網(wǎng)監控系統，使用現場(chǎng)總線(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，制定了CAN應用層協(xié)議。應用層完成的主要工作有：標識符分配、多報文數據包的處理、報文發(fā)送與接收等。

標識符分配方案

TMS320LF2407A支持CAN 2.0B協(xié)議，本系統通信的信息幀采用擴展幀，具有29位標識符，標識符分配方案如表1所示。

其中，DIR表示方向。DIR=0時(shí)，表示主站向從站發(fā)送數據；DIR=1時(shí)，表示從站向主站發(fā)送數據。TYPE為報文幀類(lèi)型。當TYPE.2=0時(shí)，表示點(diǎn)對點(diǎn)發(fā)送；當TYPE.2=l時(shí)，表示廣播發(fā)送。當TYPE~TYPE.0Xb時(shí)，表示單幀報文；TYPE.1~TYPE.0=11b時(shí)，表示非結束多幀報文；TYPE.1~TYPE.0=10b時(shí)，表示結束多幀報文。另外還有目標地址和源地址各七位，命令符八位。命令符是用來(lái)標識上位機對現場(chǎng)控制器的控制命令，或現場(chǎng)控制器對上位機的上傳命令。

報文的處理

本設計對CAN通信中的報文處理做了以下規定：

單報文：?jiǎn)螆笪挠蓸俗R符中的數據類(lèi)型TYPE.1決定，當其為0時(shí)表示為單報文，此時(shí)待傳送的數據不超過(guò)8個(gè)字節，數據段中為實(shí)際傳送的數據。

多報文的首幀和中間幀：多報文的首幀和中間幀由TYPE.1～TYPE.0決定，當其為11b時(shí)表示為非結束多報文，即為多報文的首幀和中間幀，此時(shí)待傳送的數據超過(guò)8個(gè)字節，數據段中第1個(gè)字節為索引項，后7個(gè)字節為傳送的數據。

多報文的尾幀：多報文的尾幀由TYPE.1～TYPE.0決定，當其為10b時(shí)表示為結束多報文，即為多報文的尾幀，此時(shí)規定該幀中數據長(cháng)度為2個(gè)字節，數據段中第1個(gè)字節為索引項，第2個(gè)字節為待傳送數據的總長(cháng)度，單位為字節。

CAN通信初始化

CAN通信初始化主要是設置CAN的通信參數，包括配置位定時(shí)器和初始化郵箱兩部分。需要初始化的寄存器有：位配置寄存器2、位配置寄存器1、標識符寄存器、控制寄存器、局部屏蔽寄存器等。需要注意的是，只有當全局狀態(tài)寄存器中的改變配置使能位為高時(shí)，才能配置位定時(shí)器；當主控制器中的改變配置請求位為1，即CAN控制器處于復位工作方式時(shí)，才能配置標識符寄存器、控制寄存器和數據域。在訪(fǎng)問(wèn)位配置寄存器時(shí)，由于其內容決定波特率的數值，位配置寄存器的初始化字必須依據系統中各CAN控制器的晶振頻率而設定。

數據發(fā)送

信息從CAN控制器發(fā)送到CAN總線(xiàn)是由CAN控制器自動(dòng)完成的。發(fā)送程序只需把要發(fā)送的信息幀送到相關(guān)的CAN寄存器，啟動(dòng)發(fā)送命令即可。數據發(fā)送采用通用定時(shí)器周期中斷，定時(shí)發(fā)送已采集的數據到上位機，實(shí)現數據的存儲，以便用戶(hù)查詢(xún)。由于采集到的數據超過(guò)8個(gè)字節，所以需對數據包進(jìn)行分片構造報文。通用定時(shí)器周期中斷服務(wù)程序如圖4所示。

數據接收

信息從CAN總線(xiàn)到CAN接收郵箱是由CAN控制器自動(dòng)完成的，數據接收采用郵箱中斷。在中斷服務(wù)程序中讀取接收到的數據，對接收到的數據進(jìn)行解碼，并置位相應標志位。在主程序循環(huán)中查詢(xún)標志位，當檢測到標志位被置位時(shí)，則進(jìn)入相應處理程序，同時(shí)對標志位清零。

結語(yǔ)
應用層協(xié)議是CAN網(wǎng)絡(luò )應用的關(guān)鍵，因此該系統中的重點(diǎn)工作是在現場(chǎng)控制器與上位機之間的通信中，使用現場(chǎng)總線(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，制定了用戶(hù)層通信協(xié)議。而且本系統已經(jīng)完成了在實(shí)驗室階段的調試工作，通信部分能夠正常工作。本文介紹的CAN 通信設計具有很強的通用性,其成果可以應用在很多數據采集的場(chǎng)合?！?/P>