基于CAN總線(xiàn)的分布式網(wǎng)架健康狀態(tài)監測系統的設計

摘要：針對某網(wǎng)架安全監測的需要設計了分布式健康狀態(tài)監測系統，介紹了在分布式系統中利用控制器局域網(wǎng)(CAN)組建分布式通信網(wǎng)絡(luò )模塊的方案。詳細闡述了基于CAN總線(xiàn)控制器SJAl000的采集系統設計方案及具體的硬件電路設計，并解決了在軟件設計中容易碰到的問(wèn)題。

在某大網(wǎng)架結構的建筑中，由于網(wǎng)架結構的特殊性及其所處地理位置在沿海臺風(fēng)多發(fā)地帶，因此需要設計高速數據采集系統對網(wǎng)架結構的健康狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，并對數據進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和評估。由于需要對網(wǎng)架上受力情況進(jìn)行多點(diǎn)監測，考慮到硬件集中控制擴展能力差且在現場(chǎng)施工有較大的布線(xiàn)困難，因此本系統采用目前廣泛應用的分布式系統設計方案，將各個(gè)控制單元分布在現場(chǎng)各采集點(diǎn)上。為了實(shí)現分布式系統的監測與控制功能，需要建立良好的通訊方式，以完成系統主機與各智能單元之間的信息交換與通信。根據本數據采集系統的特點(diǎn)，其通信系統應具有良好的可靠性、適應性、可擴展性和簡(jiǎn)單的連接方式，并能滿(mǎn)足長(cháng)距離傳輸的需要。由于此數據采集系統節點(diǎn)數多(100路)、對信號傳輸速度要求高且誤碼率低，利用485總線(xiàn)搭建數據采集系統的傳統方式，其最大控制結點(diǎn)只能有32個(gè)，在超過(guò)lkm的布線(xiàn)結構中傳輸速度只有lOOkbps，且“數據碰撞”和“死鎖”等問(wèn)題不易解決，因此采用485總線(xiàn)顯然達不到設計要求。

相對于傳統的485總線(xiàn)來(lái)講，控制器局域網(wǎng)CAN(Controller Area Network)作為現場(chǎng)總線(xiàn)的一種，以其分時(shí)多主、非破壞性總線(xiàn)仲裁和自動(dòng)檢錯重發(fā)等靈活、可靠的通信技術(shù)解決了485總線(xiàn)現場(chǎng)調試困難、開(kāi)發(fā)周期長(cháng)等問(wèn)題[1]。尤其在較為艱苦的安裝環(huán)境中，其高效的現場(chǎng)調試性能顯得尤為實(shí)用。作為一種分散式、數字化、雙向多點(diǎn)、具有高速率高可靠性特點(diǎn)的通信系統，CAN可以構建靈活的多主通訊機制，也可以建立主從式結構，而且這兩種方式下的硬件物理聯(lián)接完全相同。其自動(dòng)進(jìn)行數據編碼、CRC冗余校驗、出錯自動(dòng)重發(fā)的功能保證了數據的準確率，某一節點(diǎn)嚴重出錯時(shí)能自動(dòng)脫離總線(xiàn)保證了系統的穩定性，且其具有極強的帶負載能力，可驅動(dòng)多達110個(gè)節點(diǎn)，可滿(mǎn)足本系統高速、精確、多負載的要求。

1 采集卡硬件電路的設計

1．1 CAN總線(xiàn)分布式系統結構設計

系統結構如圖1所示。本系統由上位監控PC機、CAN總線(xiàn)適配卡和控制單元三部分組成。上位監控PCs機采用IBM-PC兼容機，主要負責對系統數據的接收與管理、控制命令的發(fā)送以及各控制單元動(dòng)態(tài)參數和設備狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示；CAN總線(xiàn)適配卡可以使PC機方便地連接到CAN總線(xiàn)上；控制單元以單片機為核心，主要負責對現場(chǎng)的環(huán)境參數和設備狀態(tài)進(jìn)行監測，對采集來(lái)的數據進(jìn)行打包處理并將處理過(guò)的數字信號通過(guò)CAN通信控制器SJA1000送入CAN總線(xiàn)。

1．2 控制單元模塊設計及關(guān)鍵問(wèn)題的解決

控制單元的主要功能是將現場(chǎng)采集的模擬信號轉換成數字信號，通過(guò)CPU處理后再由CAN總線(xiàn)控制器打包送上CAN總線(xiàn)以便上位機接收處理；接收上位機控制信號，實(shí)現現場(chǎng)控制的具體操作。具體需要解決的問(wèn)題為：①CAN模塊設計；②A(yíng)／D模塊設計。

1．2．1 CAN模塊設計

控制單元以8位單片機AT89C51為核心，選用器件SJA1000作為CAN控制器，并選用芯片82C250和6N137作為CAN控制器接口和光耦隔離。硬件電路如圖2所示。

系統采用的CAN總線(xiàn)通信控制器SJA1000是PHILIPS公司生產(chǎn)的一種獨立式CAN器件，其原理框圖如圖3所示。它與CAN2．OB相兼容[1]，同時(shí)支持11位(BasicCAN模式)和29位(PeliCAN模式)識別碼。

圖2中AT89C51單片機的ALE、WR、RD端分別控制SJA1000的ALE／AS、WR、RD端，地址和數據線(xiàn)ADO～AD7由P0口分時(shí)復用實(shí)現。SJA1000的中斷請求信號INT在中斷允許且有中斷發(fā)生時(shí)，由高電來(lái)此跳變到低電平，所以INT和AT89C51的INT0直接相連。片選信號CS由GAL譯碼電路控制，當CS接到低電平時(shí)，SJA1000被選中，CPU可對SJA1000進(jìn)行讀／寫(xiě)操作。為了增強控制節點(diǎn)的抗干擾能力，防止線(xiàn)路間串擾，SJA1000通過(guò)光耦6N137與82C250相連，從而使總線(xiàn)上各個(gè)CAN節點(diǎn)之間實(shí)現隔離，以保護CAN控制器正常工作。82C250是CAN總線(xiàn)收發(fā)器，是CAN控制器SJA1000正常工作與CAN總線(xiàn)的接口器件，對CAN總線(xiàn)以差分方式發(fā)送。其引腳RS用于選擇82C250的工作模式(高速、斜率控制或等待)。RS腳接地，82C250工作于高速方式，RS腳串接一個(gè)電阻R后再接地，若82C250處于CAN總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )終端，總線(xiàn)接口部分必須加一個(gè)120Ω的匹配電阻，以保護82C250免受過(guò)流的沖擊。

1．2．2 A／D模塊設計

A／D芯片選用12位高速采集芯片AD574。在本設計中，A／D模塊的功能是將外部模擬信號通過(guò)AD574轉換成數字信號后并行輸入到AT89C51，然后AT89C51將其打包，并行輸出至CAN總線(xiàn)通信控制器SJA1000，經(jīng)總線(xiàn)收發(fā)器至CAN總線(xiàn)。其監控電路采用DS1232，它具有電源監控、手動(dòng)復位和看門(mén)狗功能，還能同時(shí)輸出高低電平的兩路復位信號，分別輸出至AT89C51和SJA1000的復位端，以滿(mǎn)足本次設計的要求。

2 軟件設計

本健康監測系統要求軟件部分具有現場(chǎng)數字信號顯示、檢測并驅動(dòng)現場(chǎng)信號設備等功能。在本設計中主要完成兩部分任務(wù)：第一是PC機部分的上位機顯示，主要通過(guò)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境軟件設計出上位機監視顯示界面，其重點(diǎn)在于PC機與現場(chǎng)節點(diǎn)間的通信；第二是現場(chǎng)節點(diǎn)控制設計，即設備驅動(dòng)功能的實(shí)現，目的是能接收上位機的控制信號，使現場(chǎng)節點(diǎn)按既定的工作方式工作。

根據系統的工作要求，工作重點(diǎn)包括CAN總線(xiàn)通信程序、看門(mén)狗的初始化、A／D采樣控制程序、執行機構控制程序和控制算法等，主要流程如圖4所示。限于篇幅，這里著(zhù)重介紹SJA1000初始化程序設計、發(fā)送程序設計、接收程序設計以及A／D轉換程序的設計。

2．1 SJA1000初始化設計

初始化流程圖如圖5所示。AT89C51上電或復位后，調用復位程序給SJA1000的復位端(RST)提供復位信號，使SJA1000進(jìn)入復位模式。SJA1000的初始化只有在復位模式下才可以進(jìn)行。初始化程序主要完成以下寄存器的設計：(1)通過(guò)對SJA1000的時(shí)鐘分頻寄存器定義，判斷是使用BassicCAN模式還是使用PeliCAN模式；是否使能CLOCKOUT及輸出時(shí)鐘頻率；是否使用旁路CAN輸入比較器；TX1輸出是否采用專(zhuān)門(mén)的接收中斷。(2)通過(guò)寫(xiě)驗收碼寄存器和驗收屏蔽寄存器定義接收報文的驗收碼，以及對報文和驗收碼進(jìn)行比較的相關(guān)位定義驗收屏蔽碼。(3)通過(guò)寫(xiě)總線(xiàn)定時(shí)寄存器定義總線(xiàn)的位速率、位周期內的采樣點(diǎn)和一個(gè)位周期內的采樣數量。(4)通過(guò)寫(xiě)輸出寄存器定義CAN總線(xiàn)輸出管腳TX0、TX1的輸出模式和輸出配置。(5)清除SJA1000的復位請求標志，進(jìn)入正常工作模式，這樣SJA1000方可進(jìn)行報文的發(fā)送和接收。

2.2 發(fā)送和接收程序設計

單片機將要發(fā)送的報文送到SJA1000的發(fā)送緩沖區，然后將SJA1000命令寄存器的發(fā)送請求標志位(TR)置位，發(fā)送過(guò)程由SJA1000獨立完成。在新報文寫(xiě)入發(fā)送緩沖區之前，必須檢查狀態(tài)寄存器的發(fā)送緩沖器的狀態(tài)標志位(TBS)，若為“1”，則發(fā)送緩沖器被釋放，可將新的報文寫(xiě)入發(fā)送緩沖器；否則，發(fā)送緩沖器被鎖定，新的報文不能被寫(xiě)入，發(fā)送程序可以采用中斷方式和查詢(xún)方式。在本次設計中，采用的是查詢(xún)方式。

報文的接收也是由SJA1000獨立完成的。收到的報文通過(guò)接收濾波器存放在FIFO中，第一條報文進(jìn)入接收緩沖器，由狀態(tài)寄存器的接收緩沖器狀態(tài)標志位(RBS)和接收中斷標志位(RI)標出。單片機從接收緩沖器取走一條報文后，要通過(guò)置位SJA1000的命令寄存器來(lái)釋放接收緩沖器。在本次設計中，接收程序的設計采用的是中斷方式。

2．3 A／D轉換設計

在本次設計中采用的是12位逐次逼近型A／D轉換器AD574。以查詢(xún)方式設計程序，通過(guò)連續查詢(xún)A／D轉換結束標志位判斷轉換是否結束。當轉換結束時(shí)，將數據送人CPU中進(jìn)行處理，并將處理后的數據保存至6264芯片。

基于CAN總線(xiàn)設計的高速分布式數據采集系統具有一定的使用價(jià)值，而且價(jià)格低廉、可靠性高。同時(shí)系統還具有可擴展性，在需要多通道采集的情況下只需添加少量的采樣保持芯片即可。通過(guò)對該總線(xiàn)系統的通信能力進(jìn)行測試，并將上述系統置于強干擾環(huán)境中進(jìn)行連續實(shí)驗，發(fā)現使用的通信速率完全可以保證數據的實(shí)時(shí)可靠傳輸，其通信效果完全滿(mǎn)足要求，同時(shí)上位機和底層節點(diǎn)也能夠保證相互間的協(xié)調工作。