基于嵌入式和CAN總線(xiàn)的測控系統設計

　　隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的不斷發(fā)展，Internet把世界上分散的計算機系統、通信系統實(shí)現了互連，形成了共用數據網(wǎng)絡(luò )，成功的實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )資源共享。而CAN總線(xiàn)技術(shù)使得控制系統向著(zhù)分散化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化的方向發(fā)展，使控制技術(shù)與計算機以及網(wǎng)絡(luò )技術(shù)更為緊密的結合在一起。隨著(zhù)CAN總線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò )的進(jìn)一步發(fā)展，控制網(wǎng)絡(luò )與因特信息網(wǎng)絡(luò )的結合，方便了對設備的遠程監控、診斷和維護。

　　2 系統模型概述

　　本設計采用在CAN總線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò )和因特網(wǎng)之間加入一個(gè)轉換接口。這種方式是通過(guò)硬件來(lái)實(shí)現的，即在底層網(wǎng)絡(luò )與中間監控層之間加入中繼器、網(wǎng)橋、路由器等專(zhuān)門(mén)的硬件設備，使控制網(wǎng)絡(luò )作為信息網(wǎng)絡(luò )的擴展與之緊密集成。硬件設備可以是一臺專(zhuān)門(mén)的計算機，依靠其中運行的軟件完成數據包的識別、解釋和轉換；對于多個(gè)網(wǎng)段的應用，它還可以在不同網(wǎng)段之間存儲轉發(fā)數據包，起到網(wǎng)橋的作用。

　　轉換接口的集成方式功能較強，但實(shí)時(shí)性較差。信息網(wǎng)絡(luò )一般是采用TCP/IP的因特網(wǎng)，而TCP/IP沒(méi)有考慮數據傳輸的實(shí)時(shí)性，當CAN設備有大量信息上傳或遠程監控操作頻繁時(shí)，轉換接口都將成為實(shí)時(shí)通信的瓶頸。但是隨著(zhù)因特網(wǎng)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，這個(gè)瓶頸問(wèn)題將逐步得到解決。

　　3測控系統工作原理及組成

　　本系統采用C8051F060單片機作為控制網(wǎng)絡(luò )層的核心控制器，采用三星公司的S3C2410嵌入式微處理器設計信息網(wǎng)絡(luò )，將工業(yè)現場(chǎng)設備和遠程服務(wù)器、工作站連為一體，構建了體積輕巧、功能強大、方便靈活的企業(yè)網(wǎng)絡(luò )。

　　3.1系統方案

　　本系統由信息網(wǎng)絡(luò )層和控制網(wǎng)絡(luò )層兩部分組成。信息網(wǎng)絡(luò )層是基于S3C2410的ARM系統，運行著(zhù)TCP/IP協(xié)議和現場(chǎng)總線(xiàn)CAN協(xié)議；控制網(wǎng)絡(luò )層是基于C8051F060的控制網(wǎng)絡(luò )測控系統，它直接與工業(yè)測控設備聯(lián)系，負責測量、調節現場(chǎng)參數，將測量結果通過(guò)CAN送給ARM，或是接收ARM下傳的數據調控現場(chǎng)設備。論文對CAN總線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò )和因特網(wǎng)進(jìn)行了深入研究，提出在提高信息網(wǎng)絡(luò )協(xié)議標準的實(shí)時(shí)性和兼容性的基礎上，從底層設備到遠程監控系統都使用統一的協(xié)議標準的設計方案，以確保信息準確、快速、完整傳輸。本方案的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉、功能強大、方便靈活。整個(gè)系統的示意圖如1所示。

　　3.2信息網(wǎng)絡(luò )部分

　　信息網(wǎng)絡(luò )要對控制系統的底層控制參數進(jìn)行決策，因此信息網(wǎng)絡(luò )在控制系統中扮演著(zhù)重要的角色。一方面它要和遠程PC通信，另一方面它還要和控制網(wǎng)絡(luò )層的單片機通信，起著(zhù)連接PC和工業(yè)現場(chǎng)智能設備的橋梁作用。

　　信息網(wǎng)絡(luò )層采用的S3C2410，是韓國三星電子公司最近推出的一款基于A(yíng)RM920T內核的16/32位RISC嵌入式微處理器。該處理器主要面向手持式設備以及高性?xún)r(jià)比、低功耗的應用。S3C2410內部結構較復雜，提供可擴展的功能模塊也較多，如圖2所示。

　　3.3控制網(wǎng)絡(luò )部分

　　網(wǎng)絡(luò )測控系統擴展CAN總線(xiàn)模塊，要擔負至少兩個(gè)方面的任務(wù)：一是支持現場(chǎng)操作，包括數據采集、人-機對話(huà)等；二是與上級節點(diǎn)進(jìn)行數據交互，作為網(wǎng)絡(luò )測控系統的底層設備，系統結構框圖如圖3所示。

　　基于CAN總線(xiàn)的分布式測控卡主要由單片機C8051F060、輸入/輸出電路、電源電路、人-機接口和通信接口（包括RS-232和CAN總線(xiàn)接口）幾部分組成。測控卡的工作原理如下：C8051F060單片機是完全集成的混合信號片上系統型MCU，是數據采集與實(shí)施控制的理想微型控制器。它集成了兩個(gè)16位、1Msps的模擬/數字轉換器，且帶有DMA控制器；集成有兩個(gè)12位數字/模擬轉換器，具有可編程數據更新方式；集成有控制器局域網(wǎng)（CAN2.0B）控制器，具有32個(gè)消息對象，每個(gè)消息對象有自己的標識掩碼。工業(yè)現場(chǎng)設備的狀態(tài)參數通過(guò)I/V轉換成電壓信號，C8051F060單片機采集此信號后，通過(guò)CAN總線(xiàn)發(fā)送給上級網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，同時(shí)上級網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)下傳的命令和參數經(jīng)DAC和V/I轉換電路轉換成0~20mA的電流信號，控制現場(chǎng)設備。人-機界面提供系統狀態(tài)與操作人員的友好交流平臺，且備用了一路RS-232異步串行通信總線(xiàn)。

　　4 信息網(wǎng)絡(luò )和控制網(wǎng)絡(luò )之間的通信

　　CAN與Internet是采用不同通信協(xié)議的兩種異構網(wǎng)絡(luò )。首先，CAN通信基于報文，無(wú)需為每個(gè)節點(diǎn)設定一個(gè)獨立且唯一的地址。它采用標識符來(lái)表明報文的內容，CAN節點(diǎn)接受到一個(gè)報文時(shí)，通過(guò)基于標識符的濾波機制來(lái)決定處理或拋棄該報文。而Internet上的IP數據包傳輸是面向連接的，基于節點(diǎn)地址來(lái)傳送，Internet上的每一個(gè)節點(diǎn)都必須設定一個(gè)唯一點(diǎn)IP地址。其次，CAN與Internet采用不同的沖突仲裁機制。CAN采用的是無(wú)破壞性仲裁機制，當多個(gè)節點(diǎn)同時(shí)向總線(xiàn)發(fā)送數據造成媒體訪(fǎng)問(wèn)沖突時(shí)，優(yōu)先級較高的報文不受影響地繼續發(fā)送，而優(yōu)先級較低的報文會(huì )自動(dòng)停止，并等待總線(xiàn)空閑時(shí)再?lài)L試重新發(fā)送。。另外，CAN采用短幀結構，其最大長(cháng)度只有16B。而IP數據包的長(cháng)度遠遠超過(guò)了CAN數據幀的長(cháng)度，最長(cháng)可達16KB。

　　4.1通信方式

　　實(shí)現異構網(wǎng)絡(luò )之間的通信，需要在不同的協(xié)議之間進(jìn)行轉換，這可通過(guò)網(wǎng)關(guān)來(lái)完成。網(wǎng)關(guān)又被稱(chēng)為網(wǎng)間協(xié)議轉換器，用于連接采用不同通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )之間的數據傳輸。當一個(gè)報文要求從一個(gè)網(wǎng)段發(fā)送到另一個(gè)網(wǎng)段時(shí)，網(wǎng)關(guān)需要完成該報文的接受、翻譯與轉發(fā)工作。要實(shí)現協(xié)議轉換，網(wǎng)關(guān)必須具備它所要連接到不同網(wǎng)絡(luò )的協(xié)議包，由于TCP/IP協(xié)議包需要較大的存儲空間，因此，大多數情況都是用PC機來(lái)充當網(wǎng)關(guān)。但在某些情況下使用PC機并不方便，需要在MCU/MPU嵌入式系統中實(shí)現網(wǎng)關(guān)功能。一種方案使用高檔的32位、64位MCU/MPU，內嵌了成熟的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統，具有完整的TCP/IP協(xié)議包，能夠很好地完成與Internet的連接。這種方案具有足夠快的運行速度，采用精簡(jiǎn)的TCP/IP協(xié)議包。嵌入式設備連接到Internet，互連實(shí)現數據信息交換或者遠程訪(fǎng)問(wèn)和機器控制，TCP／IP協(xié)議是互連的核心技術(shù)。

　　4.2軟件實(shí)現

　　由于被測控的幾個(gè)量都是緩慢變化的，對測控系統的實(shí)時(shí)性要求不高。單片機大部分時(shí)間在進(jìn)行參數測量，每次測量結束后使用查詢(xún)方式將測量結果保存到數據緩沖區中。由于單片機的RAM容量有限（C8051F060具有4K的RAM），使用了數據緩沖區，以保存一定數量的測量結果。緩沖區使用先進(jìn)先出策略，在保存時(shí)先判斷緩沖區是否填滿(mǎn)，沒(méi)滿(mǎn)時(shí)緩沖指針加1，數據保存進(jìn)下一個(gè)單元，填滿(mǎn)時(shí)使指針指向緩沖區的頂部，數據保存進(jìn)緩沖區，以前的數據丟掉。本系統的設計重點(diǎn)是CAN通信，因此，在CAN通信時(shí)采用了中斷方式。整個(gè)測控系統部分的軟件流程圖如圖4。

　　5 結束語(yǔ)

　　計算機監控系統是一個(gè)集資源管理、工業(yè)控制于一體的調度系統在此監控系統中，底層控制網(wǎng)絡(luò )采用了CAN總線(xiàn)技術(shù)，節約了設備投資、提高了測量的精度和系統的可靠性；在信息網(wǎng)絡(luò )層，采用了嵌入式微處理器，既保證了系統的可靠性，實(shí)時(shí)性，又方便了系統的維護。這些先進(jìn)技術(shù)的綜合運用，使生產(chǎn)調度監控系統不僅很好地滿(mǎn)足了生產(chǎn)調度的需要，而且大大提高了生產(chǎn)的效率。

　　本文作者創(chuàng )新點(diǎn):

　　由于分布式控制網(wǎng)絡(luò )采用了面向不同應用的協(xié)議標準，因此二者集成時(shí)需要某種數據格式的轉化，這就不能保證數據的準確性，本文采用嵌入式MPU和TCP/IP協(xié)議就可以很好的解決這個(gè)問(wèn)題。