基于DSP的分析儀器CAN網(wǎng)絡(luò )通信系統

　?。茫粒危ǎ茫铮睿簦颍铮欤臁。粒颍澹帷。危澹簦鳎铮颍耄┦菄H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。由于ＣＡＮ具有多主站控制、無(wú)破壞性總線(xiàn)仲裁、可靠的檢錯和重發(fā)機制以及故障節點(diǎn)的判斷和自動(dòng)脫離等等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)，在富含噪聲和其他要求苛刻的環(huán)境中得到越來(lái)越廣泛的應用，而且其應用領(lǐng)域也在不斷的擴大［１］。

　?。狈治鰞x器網(wǎng)絡(luò )結構

　　多組分氣體分析平臺基于過(guò)程分析儀器系統的物流和信息兩通道所需的基本共性功能，系統采用模塊化設計。各硬件模塊具有獨立結構，可適應不同分析傳感器及其組合以及預處理裝置的選擇要求；軟件系統則為檢測信號的數據處理、儀器的自動(dòng)診斷、自動(dòng)標定的操作控制以及為與ＤＣＳ間的信息通信提供支持［２］。

　　分析平臺采用ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２作為處理器。ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２是ＴＩ公司推出的一款用于控制領(lǐng)域的高性能３２位數字信號處理器，適用于實(shí)時(shí)數據處理，并集成了豐富的外設，如片上１２位模數轉換器（ＡＤＣ）、ＳＰＩ、ｅＣＡＮ等功能模塊，可以方便地進(jìn)行功能擴展。平臺由數據采集模塊、控制模塊、開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊、人機交互模塊以及通訊接口組成。

　　根據現場(chǎng)情況，通過(guò)不同傳感器的組合對樣品中不同組分進(jìn)行檢測，配合相應的軟件實(shí)現不同的數據處理方法，構成組合式分析儀器，每臺分析儀器可檢測２－４個(gè)組分。此處我們以?xún)膳_分析儀器為例，每臺能檢測兩個(gè)組分，一臺檢測ＣＯ２和Ｏ２，另一臺檢測ＳＯ２和ＣＯ，與上位機一起構建ＣＡＮ通信網(wǎng)絡(luò )。

　?。茫粒尉W(wǎng)絡(luò )系統一般由上位機、ＣＡＮ適配卡、若干節點(diǎn)以及ＣＡＮ總線(xiàn)構成。由于ＰＣ機上有多條擴展槽，利用局域網(wǎng)絡(luò )通信卡，使得該系統很容易與其他生產(chǎn)管理部門(mén)聯(lián)網(wǎng)，便于統一調度和管理；另外，選用ＰＣ機還可以充分利用現有的軟件工具和開(kāi)發(fā)環(huán)境，方便快捷地設計功能豐富的計算機軟件，所以此處上位機我們選用通用ＰＣ機。

　?。茫粒芜m配卡我們選用的是北京科日新工控的ＫＰＣＩ－８１１０光隔非智能ＣＡＮ總線(xiàn)通訊卡，符合ＩＳＯ／ＩＳＯ１１８９８國際標準，滿(mǎn)足２．０Ｂ（ＰｅｌｉＣＡＮ）兼容ＣＡＮ２．０Ａ通信協(xié)議，通訊距離最長(cháng)達１０ｋｍ，傳輸速率最高達１Ｍｂｐｓ?；诙嘟M分氣體分析平臺的組合式分析儀器做為ＣＡＮ智能節點(diǎn)?？偩€(xiàn)上的信息傳輸遵守ＣＡＮ通信協(xié)議，通信介質(zhì)采用雙絞線(xiàn)即可。

　　系統總體結構圖如下所示：

　　圖１　基于分析儀器的ＣＡＮ網(wǎng)絡(luò )結構圖

　?。病。茫粒慰偩€(xiàn)通信協(xié)議

　?。茫粒渭夹g(shù)規范版本２．０包括兩部分內容：版本２．０Ａ描述ＣＡＮ技術(shù)規范１．２中定義的ＣＡＮ報文格式；版本２．０Ｂ描述標準和擴展格式兩種報文格式。為了同ＣＡＮ技術(shù)規范２．０兼容，要求ＣＡＮ執行既同版本２．０Ａ，也同版本２．０Ｂ兼容。

　　鑒于我們目前所要傳輸的內容僅限于檢測結果，同時(shí)考慮到現場(chǎng)需要網(wǎng)絡(luò )中可能連接的智能節點(diǎn)的個(gè)數，采用標準報文格式完全能夠滿(mǎn)足我們的要求。

　?。茫粒渭夹g(shù)規范版本２．０Ｂ中，數據幀由７個(gè)不同的位場(chǎng)組成：即幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數據場(chǎng)、ＣＲＣ場(chǎng)、應答場(chǎng)、幀結束。數據幀格式如下所示［３］：

　　圖２?。茫粒危玻埃聰祿袷?/FONT>

　　分析儀器主控制器Ｆ２８１２?。模樱衅瞎灿校常矀€(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，而且與２４０７不同的是，Ｆ２８１２可以發(fā)送和存儲包括報文ＩＤ在內的所有幀信息。所以我們只需對標準標識符的位進(jìn)行分配，而不用定義數據字節，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。對標準標識符的分配如下表所示：

　　表１　標識符分配

　?。场⊥ㄐ懦绦蛟O計

　　若想實(shí)現ＣＡＮ網(wǎng)絡(luò )的正常通信，必須保證各通信節點(diǎn)的波特率和標識符都定義得一致。由于ＫＰＣＩ－８１１０使用獨立的ＣＡＮ控制器ＳＪＡ１０００，而智能節點(diǎn)多組分氣體分析平臺中使用微處理器ＤＳＰ中內置的ＣＡＮ控制器，各自寄存器的定義和分配不盡相同，所以數據幀格式的定義方法也不一樣，在編寫(xiě)初始化和通信程序時(shí)要特別注意寄存器的定義和分配。

　?。常敝悄芄濣c(diǎn)端

　　為了實(shí)現各個(gè)節點(diǎn)信息的同步，考慮把智能節點(diǎn)中的一個(gè)做為主節點(diǎn)，其他節點(diǎn)做為從節點(diǎn)。主節點(diǎn)先收集所有從節點(diǎn)的數據，再把所有的數據一起發(fā)送給上位機。

　　做為ＣＡＮ網(wǎng)絡(luò )的智能節點(diǎn)，組合式分析儀器采用內置了ＣＡＮ模塊的Ｆ２８１２做為微處理器，從硬件上來(lái)講，外接一個(gè)ＣＡＮ收發(fā)器就可以方便地掛接到ＣＡＮ總線(xiàn)上，從軟件設計上來(lái)講，由于Ｆ２８１２強大的寄存器功能，也可以很容易地實(shí)現ＣＡＮ模塊的初始化以及信息的發(fā)送和接收。

　　智能節點(diǎn)的編程采用Ｃ語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言相結合的方式，采用結構化程序設計方案，可讀可移植性好。流程如圖３所示。程序設計的重點(diǎn)在于ＣＡＮ模塊的初始化和中斷程序的調用。

　　圖３　智能節點(diǎn)程序流程圖

　　智能節點(diǎn)端ＣＡＮ模塊初始化（流程圖如圖４所示［４］）主要包括三個(gè)方面的內容：波特率的配置、郵箱分配（包括郵箱方向、標識符分配等）、中斷寄存器初始化。波特率和標識符的分配非常重要，是ＣＡＮ網(wǎng)絡(luò )通信成功的關(guān)鍵所在。Ｆ２８１２內置ＣＡＮ控制器使用位時(shí)序配置寄存器ＣＡＮＢＴＣ中的ＢＲＰ、ＴＳＥＧ１和ＴＳＥＧ２來(lái)設置波特率，計算公式為：ＳＹＳＣＬＫ／（ＢＲＰ＋１）×［（ＴＳＥＧ１ｒｅｇ＋１）＋（ＴＳＥＧ２ｒｅｇ＋１）＋１］，此處我們采用的晶振頻率為３０ＭＨＺ，系統倍頻為１／２，ＢＲＰ＝９，ＴＳＥＧ１＝１０，ＴＳＥＧ２＝２，因此波特率為１００Ｋｂｐｓ。標識符就根據表１的描述來(lái)確定。

　　圖４　智能節點(diǎn)ＣＡＮ模塊初始化流程圖

　　中斷程序中主要對從節點(diǎn)傳送的數據進(jìn)行處理，然后轉存到主節點(diǎn)的發(fā)送郵箱中，等待發(fā)送給上位機。在進(jìn)行數據處理的時(shí)候要把接收郵箱中的數據賦給中間變量，處理完后再把中間變量的值賦給發(fā)送郵箱，這個(gè)過(guò)程中要注意借助指針來(lái)完成。如下所示：

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　?。常采衔粰C端

　?。校脵C端主要完成對各分析平臺分析結果的采集、處理，采用適合快速開(kāi)發(fā)的面向對象高級語(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)。數據的處理主要完成對各組分檢測結果中干擾背景氣的去除以及單位換算等工作。

　　上位機在接收主節點(diǎn)傳送過(guò)來(lái)的數據時(shí)，在ＳＪＡ１０００?。茫粒慰刂破鞑捎脝螢V波器模式，只接收在界面中輸入的組分的數據。濾波規則為：驗收代碼位（ＡＣＲ．７－ＡＣＲ．０）和信息識別碼（標識符）的高８位（ＩＤ．１０－ＩＤ．３）相等，且與驗收屏蔽位（ＡＭＲ．７－ＡＭＲ．０）的相應位相或為１［５］。例如，在上位機接收界面中輸入組分名“ｃｏ２”，運行程序時(shí)就會(huì )把“ｃｏ２”對應的一組驗收代碼值和驗收屏蔽值初始化為驗收濾波器的預設值。為了具有通用性，把驗收屏蔽碼設為ＡＣＲ?。铮颉。Γ龋疲?。

　　由于ＳＪＡ１０００ＣＡＮ控制器每個(gè)地址存儲８位的數據，而Ｆ２８１２內置ＣＡＮ控制器每個(gè)地址存儲１６位的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１１４４?。埃埃埃埃ǎ猓椋簦玻福猓椋簦保笧闃俗R符位），ＳＪＡ１０００獨立控制器對應的標識符應為８Ａ２０（ｂｉｔ１５－ｂｉｔ５為標識符位）。．

　　下圖為自己開(kāi)發(fā)的接收界面成功接收到數據：

　　圖５　上位機接收界面

　?。?結論

　　該通信系統在試驗中得到了良好的效果，滿(mǎn)足了多組分分析儀器的設計要求。數字化在線(xiàn)分析儀器作為網(wǎng)絡(luò )神經(jīng)元，有機地融入網(wǎng)絡(luò )系統，實(shí)現信息實(shí)時(shí)傳輸、遠程故障診斷是分析儀器的發(fā)展趨勢，也是工業(yè)化和信息化的發(fā)展趨勢。