基于CAN總線(xiàn)的數據采集與控制系統設計

摘要：為了保證數據傳輸的實(shí)時(shí)性、可靠性，解決數據傳輸過(guò)程中易受干擾的問(wèn)題，并保證數據采集和控制系統的性能，采用CAN總線(xiàn)作為現場(chǎng)總線(xiàn)來(lái)實(shí)現數據傳輸。經(jīng)過(guò)對系統軟硬件在不同環(huán)境下的多次測試，驗證了該系統的性能，同時(shí)也體現了CAN總線(xiàn)在通信能力、可靠性和實(shí)時(shí)性等方面的明顯優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞：CAN總線(xiàn)；數據采集；控制系統；串行通信

0 引言
隨著(zhù)計算機網(wǎng)絡(luò )上的高速發(fā)展，使得信息的交流與共享變得空前廣泛和自如，而這項技術(shù)也滲入到自動(dòng)化領(lǐng)域的變革當中，現場(chǎng)總線(xiàn)(Fieldbus)由此應運而生，開(kāi)創(chuàng )了工業(yè)控制的新篇章?，F場(chǎng)總線(xiàn)是一種應用于生產(chǎn)現場(chǎng)，在現場(chǎng)設備之間、現場(chǎng)設備和控制裝置之間實(shí)行雙向、串形、多結點(diǎn)的數字通信技術(shù)，在當今自動(dòng)化領(lǐng)域中具有廣闊的發(fā)展前景。本文給出了一種基于CAN總線(xiàn)的數據采集與控制系統設計方案，實(shí)現對開(kāi)關(guān)量的數據采集和對外部設備的控制功能。
控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network，CAN)總線(xiàn)是現場(chǎng)總線(xiàn)的一種，是一種有效支持分布式控制或實(shí)時(shí)控制的串行網(wǎng)絡(luò )通信，已經(jīng)被廣泛地應用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫療設備、工業(yè)設備等方面，并被公認為最有前途的現場(chǎng)總線(xiàn)之一，其主要特點(diǎn)如下：
(1)CAN是有國際標準的現場(chǎng)總線(xiàn)。
(2)CAN為多主工作方式，網(wǎng)絡(luò )上的任意一節點(diǎn)都可在任意時(shí)刻向網(wǎng)絡(luò )上的其他節點(diǎn)發(fā)送信息，且不分主從。
(3)CAN采用非破壞總線(xiàn)仲裁技術(shù)。當多個(gè)節點(diǎn)同時(shí)向總線(xiàn)發(fā)送信息出現沖突時(shí)，優(yōu)先級低的節點(diǎn)將主動(dòng)退出發(fā)送，而優(yōu)先級高的節點(diǎn)不受影響繼續發(fā)送。
(4)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，使總線(xiàn)上其他節點(diǎn)的操作不受影響。
(5)報文采用短幀結構，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，而且每幀都有CRC校驗及其他校驗措施，具有極好的檢錯效果。
(6)CAN的直接最遠通信距離可達10 km，最高通信速率可達1 Mb／s。

1 系統總體結構設計
系統主要由上位機(PC機)和數據采集和控制模塊組成。系統總體結構設計如圖1所示。

上位機是整個(gè)系統的核心，實(shí)現系統的監控和管理功能。CAN總線(xiàn)智能適配卡的作用是收集各個(gè)CAN節點(diǎn)上的數據，然后轉發(fā)到上位機，同時(shí)把上位機的命令轉發(fā)到各個(gè)節點(diǎn)。由于CAN總線(xiàn)特有的多主傳輸方式，各個(gè)節點(diǎn)根據需要自主地向總線(xiàn)發(fā)送數據，而且在上位機監聽(tīng)各個(gè)節點(diǎn)的同時(shí)，節點(diǎn)也實(shí)時(shí)監聽(tīng)總線(xiàn)并接收自己需要的數據。數據采集和控制模塊采用微處理器和可編程的CAN控制芯片，主要用于完成現場(chǎng)數據的采集、數據的傳送以及各個(gè)現場(chǎng)設備運行的控制。

2 數據采集和控制模塊硬件設計
基于CAN總線(xiàn)的數據采集與控制系統將功能盡可能地分散到各個(gè)控制模塊中，各個(gè)模塊以微處理器為核心，完成數據采集和控制功能。為了使信息能在CAN協(xié)議的標準下進(jìn)行通信，各個(gè)模塊都設有CAN總線(xiàn)接口電路。該模塊的微處理器(MCU)選用宏晶科技的STC89C52RC單片機。STC89C52RC是新一代超強抗干擾、高速、低功耗的8位單片機，指令代碼完全兼容傳統的8051單片機，36個(gè)通用I／O口，3個(gè)16位定時(shí)器／計數器，4路外部中斷。根據實(shí)際需求分析，STC89C52RC單片機完全滿(mǎn)足本設計的需求。數據采集和控制模塊的結構如圖2所示。