過(guò)程分析儀器CAN網(wǎng)絡(luò )通信設計

引言

　　現代流程工業(yè)的過(guò)程控制中，分析檢測具有在線(xiàn)、多組分、實(shí)時(shí)檢測的特點(diǎn)，對分析儀器在穩定、可靠、快速、準確等方面有著(zhù)嚴格的要求。而廣泛使用的工業(yè)色譜儀采用色譜分離原理，分析周期長(cháng)達數分鐘至數十分鐘，難以實(shí)現過(guò)程的直接質(zhì)量控制。過(guò)程拉曼光譜儀和激光調制光譜儀等新技術(shù)目前價(jià)格昂貴，關(guān)鍵技術(shù)尚在研究階段，難以普及。利用技術(shù)成熟的單檢測器單組分過(guò)程分析儀器，通過(guò)分析傳感器組合技術(shù)和嵌入式計算機技術(shù)，實(shí)現多組分實(shí)時(shí)檢測和建立簡(jiǎn)便快捷的分析儀器通信網(wǎng)絡(luò )系統已成為近期國內外分析儀器研發(fā)的熱點(diǎn)之一。

　　基于單片機（80C196）或微處理器（DSP、ARM 等）的多組分氣體分析儀采用功能強大的CPU，可實(shí)時(shí)快速測定各種燃燒設備的各項熱工參數。根據測量數據，通過(guò)自動(dòng)調節裝置調整風(fēng)量，保持適當的空氣／燃料比，使燃料系統達到最佳運行狀態(tài)，以獲得最高的燃燒效率和最低的燃料消耗。儀器還可以測定CO、SO2、NO、NO2、煙氣黑度等參數，并配有液晶屏、鍵盤(pán)等外設。

　　CAN（Controll Area Network）是國際上應用最廣泛的現場(chǎng)總線(xiàn)之一，使用了一種串行多控制方通信協(xié)議，可以有效地支持分布式實(shí)時(shí)控制，并且具有很高的安全性和高達1Mbps的通信速率。

　　一個(gè)包含PC 機和n－1（n≤110）個(gè)智能節點(diǎn)的CAN 總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )結構圖如圖1 所示。

圖1 n 個(gè)節點(diǎn)的CAN 網(wǎng)絡(luò )結構圖

　　信息的傳輸采用CAN 通信協(xié)議，傳輸介質(zhì)采用雙絞線(xiàn)，如果需要進(jìn)一步提高系統的抗干擾能力，還可以在控制器和傳輸介質(zhì)之間加接光電隔離，電源采用DC-DC 變換器等措施。

　　1 分析儀器CAN 網(wǎng)絡(luò )應用層協(xié)議的制定

　　CAN 的國際標準中只定義了物理層和數據鏈路層的規范，由于本項目構建的CAN 總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數目不多，所有節點(diǎn)都由項目組自行設計，不需要與國際標準設備進(jìn)行接口，所以，這里根據本項目的具體情況，制定了一個(gè)簡(jiǎn)易的CAN 應用層協(xié)議。

　　根據廠(chǎng)方要求，網(wǎng)絡(luò )初步規劃應至少可容納16 個(gè)節點(diǎn)。上位機收集各分析儀器的信息，包括氣體組分分析含量、出錯信息和被測氣體的一些參數，如溫度、壓力、流量等，也返回一些控制信息給智能節點(diǎn)。在每個(gè)分析周期從節點(diǎn)的氣體組分分析結果送往主節點(diǎn)，主節點(diǎn)待收到所有待測組分含量后，將所有信息一并送往上位機。網(wǎng)絡(luò )中的任一臺分析儀器均可做為主節點(diǎn)或從節點(diǎn)，甚至在沒(méi)有上位機的情況下也可以做為上位機。

　　在CAN 系統中，以11 位（標準幀）或29 位（擴展幀）的標識符來(lái)標識數據的含義，標識符決定了信息的優(yōu)先權和等待時(shí)間，同時(shí)也影響信息濾波的適用性。因而，合理、高效的信息標識符ID 分配方案是充分發(fā)揮CAN 總線(xiàn)性能的前提條件。

　　分析儀器主控制器之一F2812 DSP 片上共有32 個(gè)郵箱，在SCC 模式下0-15 郵箱可用，在eCAN 模式下，32 個(gè)郵箱全部可用，可以很方便地實(shí)現主節點(diǎn)對從節點(diǎn)信息的接收和存儲。故推薦采用主控制器為F2812 的分析儀器作為該網(wǎng)絡(luò )中的主節點(diǎn)，選擇eCAN 模式，使用標準標識符（11 位），對其進(jìn)行如表1 所示的靜態(tài)分配策略，即可滿(mǎn)足上位機和主節點(diǎn)識別幀來(lái)源和幀意義的要求。

　　2 網(wǎng)絡(luò )通信程序

　　2.1 上位機端初始化

　　上位機端主要完成對各分析平臺分析結果的采集、顯示，使用PC 機加CAN 通訊卡KPCI-8110。KPCI-8110 上集成了獨立的CAN 控制器SJA1000。SJA1000 用于移動(dòng)目標和一般工業(yè)環(huán)境中的區域網(wǎng)絡(luò )控制(CAN)，在使用前要先對其進(jìn)行初始化。

　　上位機顯示界面采用適合快速開(kāi)發(fā)的可視化面向對象高級語(yǔ)言VB 來(lái)編寫(xiě)。KPCI-8110CAN 適配卡提供.dll 驅動(dòng)和.lib 庫函數，通過(guò)在VB 程序中調用相關(guān)的驅動(dòng)函數就可以實(shí)現CAN 適配卡的配置和數據的讀寫(xiě)。

　　上位機端接收數據的流程如圖2 所示。

圖2 上位機接口函數使用流程圖

　　數據接收到上位機之后保存在一個(gè)大容量的內存緩沖池內，用戶(hù)只需實(shí)時(shí)通過(guò)函數CAN_ReadDataNum(mindex) 查詢(xún)緩沖池內的數據量， 再通過(guò)函數CAN_ReadBlockData(mindex,num,obyte)及時(shí)讀走保存即可。其中obyte 為接收數據起始指針。

　　CAN_ClearBlock(mindex,num,obyte)為清空從obyte 指針開(kāi)始的緩沖池空間。

　　注意：由于SJA1000 CAN 控制器每個(gè)地址存儲8 位數據，而F2812 內置CAN 控制器每個(gè)地址存儲16 位數據，而且標準數據幀的標識符也不是從字節的起始位開(kāi)始的，所以定義標識符的時(shí)候要按照不同控制器的要求來(lái)定義。例如F2812 內置CAN 控制器定義數據幀標識符為344 0000（bit28-bit18 為標識符位），SJA1000 獨立控制器對應的標識符應為1A20（bit15－bit5 為標識符位）。