基于CAN總線(xiàn)的集散控制系統智能節點(diǎn)的設計

引言

　　現場(chǎng)總線(xiàn)是當今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)。它的出現，標志著(zhù)工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域又一個(gè)新時(shí)代的開(kāi)始，并對該領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生了重要的影響?？刂破骶钟蚓W(wǎng)CAN（ControllerAeraNetwork）屬于現場(chǎng)總線(xiàn)的范疇，CAN總線(xiàn)的數據通信具有極高的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性的特點(diǎn)，是一種有效支持集散控制系統和實(shí)時(shí)控制的多主串行總線(xiàn)。

1.基于CAN總線(xiàn)的集散控制系統

　　基于CAN總線(xiàn)的集散控制系統如圖1所示，采用現場(chǎng)總線(xiàn)式控制系統FCS（FieldbusControlSystem）結構，由上位機、CAN總線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò )、CAN智能節點(diǎn)組成。上位機主要完成在線(xiàn)系統監控，上位機通過(guò)CAN適配卡與CAN總線(xiàn)相連;CAN智能節點(diǎn)完成數據采集及計算、節點(diǎn)設定、節點(diǎn)控制、運行顯示等。上位機和智能節點(diǎn)之間通過(guò)CAN現場(chǎng)總線(xiàn)交換各種數據和管理控制信息。

2.CAN的性能特點(diǎn)

　　CAN為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò )上任一節點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò )上其他節點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，通訊方式靈活，且無(wú)需站地址等節點(diǎn)信息。

　　CAN網(wǎng)絡(luò )上的節點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級，可滿(mǎn)足不同的實(shí)時(shí)要求，高優(yōu)先級的數據最多可在134μs內得到傳輸。

　　CAN采用非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù)，當多個(gè)節點(diǎn)同時(shí)向總線(xiàn)發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級較低的節點(diǎn)會(huì )主動(dòng)的退出發(fā)送，而優(yōu)先級較高的節點(diǎn)可不受影響地繼續傳輸數據，從而大大節省了總線(xiàn)沖突仲裁時(shí)間。

　　CAN只需要通過(guò)報文濾波即可實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數據，無(wú)需專(zhuān)門(mén)的“調度”。

　　CAN的直接通信距離最遠可達10km（速率5kbps以下）;通信速率最高可達1Mbps（此時(shí)通信距離最長(cháng)為40m）。

　　CAN上的節點(diǎn)數主要取決于總線(xiàn)驅動(dòng)電路，目前可達110個(gè)，報文標識符可達2032種（CAN2.0A），而擴展標準（CAN2.0B）的報文標識符幾乎不受限制。

　　CAN采用短幀結構，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，具有極好的檢錯效果。

　　CAN的每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，保證了數據出錯率極低。

　　CAN通信介質(zhì)可為雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光纖，選擇靈活。

　　CAN節點(diǎn)在錯誤嚴重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線(xiàn)上其他節點(diǎn)的操作不受影響。

3.CAN智能節點(diǎn)硬件設計

　　目前常用的CAN器件分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是獨立的CAN控制器，如Philips的PCA82C250、SJA1000等，另一類(lèi)是帶有CAN功能的微控制器，如PIC的DSPIC6014、TI的TMS320F2812、Motorola的MC9S12DT128等等。本文采用Intel的87C196KD微處理器和PHILIP的SJA1000CAN控制器完成CAN總線(xiàn)智能節點(diǎn)的設計。

圖2CAN智能節點(diǎn)硬件電路

　　CAN智能節點(diǎn)硬件電路如圖2所示。電路主要由五部分組成：微控制器87C196KD、獨立CAN控制器SJA1000、CAN總線(xiàn)收發(fā)器82C250、高速光電耦合器6N137、復位電路。

　　微控制器87C196KD是CAN智能節點(diǎn)的核心部分，87C196KD具有32K字節的ROM和1000字節的RAM，可用高級語(yǔ)言編程。87C196KD主要完成節點(diǎn)數據采集及計算、節點(diǎn)設定、節點(diǎn)控制、運行顯示等功能，并與CAN控制器SJA1000之間發(fā)送、接收數據。

　　SJA1000芯片是一種應用廣泛、性能優(yōu)異的CAN總線(xiàn)控制器。SJA1000負責完成CAN總線(xiàn)通信協(xié)議的物理層和數據鏈路層的功能。它有Basicmode和Pelimode兩種工作模式，與Basicmode模式相比，Pelimode工作模式支持擴展幀，報文標識符可達29位，提供了更加強大的功能。為減少每幀非數據字符的數量，提高信息交換速度，在實(shí)際應用中宜采用Basicmode模式。在Basicmode模式下，SJA1000對于微處理器來(lái)說(shuō)相當于一個(gè)存儲器映像外圍設備，它的可尋址域由控制段和接收、發(fā)送緩沖器組成。SJA1000的AD0～AD7連接到87C196KD的P3口（數據總線(xiàn)），采用并口連接方式，數據讀寫(xiě)速度快。87C196KD地址總線(xiàn)的P4.6、P4.7通過(guò)譯碼器與SJA1000的片選信號CS相連，SJA1000的RD、WR、ALE分別與87C196KD的RD、WR、ALE相連,SJA1000的INT經(jīng)過(guò)非門(mén)與87C196KD的EXINT相連,微控制器也可以通過(guò)中斷的方式訪(fǎng)問(wèn)CAN控制器。

　　82C250是CAN控制器與物理總線(xiàn)之間的接口。82C250的CANL和CANH與CAN總線(xiàn)相連，若82C250處于CAN總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )終端，CANL和CANH之間需加一個(gè)匹配電阻，用于消除反射信號的干擾。RS用于選擇三種不同的工作方式：高速、斜率控制和待機，RS串接一個(gè)電阻后再接地，用于控制上升和下降斜率，減小射頻干擾。

　　為了進(jìn)一步提高系統抗干擾能力，在CAN控制器SJA1000和CAN總線(xiàn)收發(fā)器82C250之間加接高速光電耦合器6N137，并采用DC-DC變換器隔離電源，這樣就很好的實(shí)現了總線(xiàn)上各個(gè)CAN節點(diǎn)之間的 器隔離。

　　復位電路由看門(mén)狗MAX706和手動(dòng)復位按扭組成。當系統發(fā)生故障時(shí)，MAX706自動(dòng)產(chǎn)生復位信號給87C196KD和SJA1000復位，若想重新啟動(dòng)程序，可用手動(dòng)復位按扭復位。

4.CAN智能節點(diǎn)軟件設計

　　CAN智能節點(diǎn)的軟件設計主要包括三部分：CAN初始化程序、報文發(fā)送程序、報文接收程序。下面給出了BasicCAN模式CAN智能節點(diǎn)軟件的程序框圖和C語(yǔ)言源程序。

　　a.CAN初始化部分
　　

　　#include80c196kd.h>

　　/＊應包含的微控制器寄存器的定義＊/

　　#include_SFR_H_

　　#include_FUNCS_H_

　　#defineBASE_CAN0Xa000/＊定義CAN控制器基址＊/

　　typedefstruct｛

　　unsignedintid;/＊報文標識符＊/

　　unsignedcharrtr;/＊遠程幀位＊/

　　unsignedchardlen;/＊數據長(cháng)度＊/

　　unsignedchardata[8];/＊數據＊/

　?。齅SG_STRUCT;/＊將CAN協(xié)議的幀用C語(yǔ)言的結構表示＊/

　　voidinit_can（）

　?。?/p>

　?。╱nsignedchar＊）（BASE_CAN+0）=0x01;/＊SJA1000進(jìn)入復位狀態(tài)＊/

　?。╱nsignedchar＊）（BASE_CAN+4）=0x00;/＊初始化接收代碼寄存器ACR＊/

　?。╱nsignedchar＊）（BASE_CAN+5）=0xff;/＊初始化接收屏蔽寄存器AMR＊/

　?。╱nsignedchar＊）（BASE_CAN+6）=0x00;/＊初始化總線(xiàn)時(shí)序寄存器BTR0＊/

　?。╱nsignedchar＊）（BASE_CAN+7）=0x14;/＊初始化總線(xiàn)時(shí)序寄存器BTR1＊/

　?。╱nsignedchar＊）（BASE_CAN+8）=0xfa;/＊初始化輸出控制寄存器OCR＊/

　?。?/p>