基于單片機AT89C52的CAN總線(xiàn)分布式測控系統的研制

 

　　1 CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的技術(shù)特點(diǎn)[1][2]　　

　　

　　用通訊數據塊編碼，可實(shí)現多主工作方式，數據收發(fā)方式靈活，可實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播等多種傳輸方式；可將DCS結構中主機的常規測試與控制功能分散到各個(gè)智能節點(diǎn)，節點(diǎn)控制器把采集到的數據通過(guò)CAN適配器發(fā)送到總線(xiàn)，或者向總線(xiàn)申請數據，主機便從原來(lái)繁重的底層設備監控任務(wù)中解放出來(lái)，進(jìn)行更高層次的控制和管理功能，比如故障診斷、優(yōu)化協(xié)調等；

 

　　采用非破壞性基于優(yōu)先權的總線(xiàn)仲裁技術(shù)，具有暫時(shí)錯誤和永久性故障節點(diǎn)的判別及故障節點(diǎn)的自動(dòng)脫離功能，使系統其它節點(diǎn)的通信不受影響；同時(shí),CAN具有出錯幀自動(dòng)重發(fā)功能，可靠性高； 　　

 

　　信號傳輸用短幀結構（8字節），實(shí)時(shí)性好；
　　
　　不關(guān)閉總線(xiàn)即可任意掛接或拆除節點(diǎn)，增強了系統的靈活性和可擴展性； 　

 

　　采用統一的標準和規范，使各設備之間具有較好的互操作性和互換性，系統的通用性好； 　　

 

　　通訊介質(zhì)可采用雙絞線(xiàn)，無(wú)特殊要求；現場(chǎng)布線(xiàn)和安裝簡(jiǎn)單，易于維護，經(jīng)濟性好。

 

　　總之，CAN總線(xiàn)具有實(shí)時(shí)性強、可靠性高、結構簡(jiǎn)單、互操作性好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統的工業(yè)總線(xiàn)的缺陷，是構建分布式測控系統的一種有效的解決方案。

 

　　2系統總體硬件設計方案　

　　

　　首先，定義各節點(diǎn)的功能，確定各節點(diǎn)檢測或控制量的數目、類(lèi)型、信號特征。這是進(jìn)行微機測控系統網(wǎng)絡(luò )化的第一步。原則是盡量避免重復測試。智能節點(diǎn)模塊絕大部分是輸入輸出模塊，調節回路可以跨模塊構成回路。但考慮到調節回路的安全性，為了保證在上位機或整個(gè)通信線(xiàn)路出現重大故障時(shí)回路調節不受到影響，設計了隔離型、自整定PID、隔離型溫度調節器等帶有調節功能的模塊。它們的輸入輸出通道都在同一模塊中，其底層軟件的功能很強，所有的輸入處理、輸出增量的計算（多種調節算法可通過(guò)組態(tài)選擇，包括串級調節）、輸出，包括自整定模塊的過(guò)程參數的自動(dòng)識別都在本模塊實(shí)現，保證了調節回路的安全性、可靠性。

 

　　其次，選擇各節點(diǎn)控制器和相應的CAN適配元件。由于各測控節點(diǎn)功能相對單一，數據量少，因此對CPU的要求大大降低，采用8051系列單片機即可滿(mǎn)足要求。CAN 總線(xiàn)適配器件主要有：控制器接口、總線(xiàn)收發(fā)器和I/O器件。采用Philips公司生產(chǎn)的82C200CAN控制器和與其配套的82C250CAN收發(fā)器。82C200具有完成高性能通信協(xié)議所要求的全部必要特性。具有簡(jiǎn)單總線(xiàn)連接的82C200可完成物理層和數據鏈路層的所有功能。

　　

　　最后，按照CAN總線(xiàn)物理層協(xié)議選擇總線(xiàn)介質(zhì)，設計布線(xiàn)方案，連接成CAN總線(xiàn)分布式測控網(wǎng)絡(luò )。如圖1所示。

 

　　(1)CAN總線(xiàn)接口模塊

　　① 微處理器

　　目前廣泛流行的CAN總線(xiàn)器件有兩大類(lèi)：一類(lèi)是獨立的CAN控制器，如82C200，SJA1000及Intel 82526/82527等；另一類(lèi)是帶有芯片CAN的微控制器，如P8XC582及16位微控制器87C196CA/CB等。根據當前市場(chǎng)、開(kāi)發(fā)工具和課題的實(shí)際需要，系統的智能節點(diǎn)均選用ATMEL 8位單片機AT89C52為微處理器。

 

　　② CAN控制器

　　CAN控制器選用SJA1000作為控制器。SJA1000是高集成度CAN控制器。具有多主結構、總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)優(yōu)先權、成組與廣播報文功能及硬件濾波功能。輸入時(shí)鐘頻率為16MHh時(shí)鐘,輸出可編程控制。由以下幾部分構成：接口管理邏輯、發(fā)送緩存器、接收緩存器、位流處理器、位定時(shí)邏輯、收發(fā)邏輯、錯誤管理邏輯、控制器接口邏輯等。

 

　　SJA1000有很多新功能 ：標準結構和擴展結構報文的接受和發(fā)送；64字節的接收FIFO；標準和擴展幀格式都具有單／雙接收濾波器；可進(jìn)行讀／寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)的錯誤計數器；可編織的錯誤報警限制：最近一次的錯誤代碼寄存器；每一個(gè)CAN總線(xiàn)錯誤都可以產(chǎn)生錯誤中斷；具有丟失仲裁定位功能的丟失仲裁中斷；單發(fā)方式（當發(fā)主錯誤或丟失仲裁時(shí)不重發(fā)）；只聽(tīng)方式（監聽(tīng)CAN總線(xiàn)，無(wú)應答，無(wú)錯誤標志）；支持熱插拔（無(wú)干擾軟件驅動(dòng)位速率監測）。因此，系統的智能節點(diǎn)均選用SJA1000作為CAN控制器。

 

　　③ CAN總線(xiàn)收發(fā)器

　　CAN總線(xiàn)收發(fā)器選用PCA82C250作為總線(xiàn)收發(fā)器。 PCA82C250是CAN 協(xié)議控制器和物理總線(xiàn)之間的接口。82C250 可以為總線(xiàn)提供不同的發(fā)送性能，為CAN 控制器提供不同的接收性能。而且它與“ISO 11898”標準完全兼容。PCA82C250的目的是為了增大通信距離，提高系統的瞬間抗干擾能力，保護總線(xiàn)，降低射頻干擾（RFI）實(shí)現熱防護等。為了進(jìn)一步提高抗干擾措施，在兩個(gè)CAN器件之間使用了由高速隔離器件6N137構成的隔離電路。 CAN器件與微處理器的硬件連接如圖2所示。

　　硬件電路的設計并不太困難，但有幾點(diǎn)應引起注意：

　　總線(xiàn)兩端兩個(gè)120Ω的電阻，對于匹配總線(xiàn)阻擾，起著(zhù)相當重要的作用。忽略掉它們，會(huì )使數據通信的抗干擾性及可靠性大大降低，甚至無(wú)法通信。

 

　　82C50第8腳與地之間的電阻Rs稱(chēng)為斜率電阻，它的取值決定了系統處于高速工作方式還是斜率控制方式。把該引腳直接與地相連，系統將處于高速工作方式，在這種方式下，為避免射頻干擾，建議使用屏蔽電纜作總線(xiàn)；而在波特率較低、總線(xiàn)較短時(shí)，一般采用斜率控制方式，上升及下降的斜率取決于民的阻值，實(shí)驗數據表明15"200kΩ為Rs較理想的取值范圍，在該方式下，可以使用平行線(xiàn)或雙絞線(xiàn)作總線(xiàn)。

 

　　SJA1000的TX1腳懸空，RX1引腳的電位必須維持在約0.5Vcc上，否則，將不能形成CAN協(xié)議所要求的電平邏輯。如果系統傳輸距離近，環(huán)境干擾小，可以不用電流隔離，這樣可直接把82C250的VREF端（約為0.5 Vcc）與RX1腳相連，從而簡(jiǎn)化了電路。

 

　　在系統中，SJA1000的片選信號一般由地址總線(xiàn)經(jīng)譯碼獲得，并由此決定出CAN控制器各寄存器的地址。實(shí)際應用中，采用單片機AT89C52的P2.7為片選信號。所以，SJA1000的地址為：7F00"7F32H。

 

　　當上電復位時(shí)，AT89C52的上電復位，需要從低到高的電平變化來(lái)激活，而SJA1000的17腳RST被激活，需要出現一個(gè)由高電平到低電平的跳變，因此，這必須加一個(gè)反相器。

 

　　(2)數據采集模塊

　　數據采集模塊用來(lái)將各類(lèi)傳感器的數據傳送到CAN總線(xiàn)上。整個(gè)電路包括：看門(mén)狗X5045，單片機89C52，鎖存器74LS373，A/D轉換器ADC0809以及CAN控制器SJA1000和收發(fā)器82C250。電路板如圖3。

　　數據采集模塊的工作原理：各類(lèi)傳感器采集到數據后將0—5V的模擬量傳送到ADC0809，0809將轉換成的數字量傳給89C52，最后單片機將采集到的數據送到SJA1000通過(guò)CAN總線(xiàn)收發(fā)器82C250傳上總線(xiàn)，完成數據采集工作。

 

　　(3)控制模塊

　　是一個(gè)帶有CAN通信功能的隔離型控制器。該模塊有一個(gè)數據輸入點(diǎn)，可以是命令或其他信號，有一個(gè)模擬量輸出，供輸出執行機構是連續變化的控制系統使用，例如控制步進(jìn)電機；還有一路是數字量輸出，供執行機構是兩位式的控制系統使用，例如開(kāi)關(guān)設備。這個(gè)控制器可以單獨作為一個(gè)調節器使用，因為在該模塊上提供了完整的顯示窗口和操作按鈕，可以設定溫度設定值、PID調節參數等運行過(guò)程中可以顯示被控對象的PV值和SV值。

 

　　該模塊可以根據設定的控制點(diǎn)及升、降的時(shí)間實(shí)現自動(dòng)調節。帶有CAN通信口，可以與微機實(shí)現通信，也就是說(shuō)控制模塊可以接入CAN 網(wǎng)絡(luò )系統。通過(guò)上位機實(shí)現對多個(gè)節點(diǎn)上的控制模塊設定各控制點(diǎn)的上下限控制點(diǎn)、PID值、實(shí)現時(shí)間等控制參數，并實(shí)時(shí)記錄各控制器的測量值，描繪出變化曲線(xiàn)，供實(shí)驗人員對實(shí)驗結果進(jìn)行分析。如圖4所示。

　　4系統軟件設計

　　(1)CAN 總線(xiàn)通訊模塊

　　CAN總線(xiàn)測控系統的通信軟件分為3部分：CAN初始化、數據發(fā)送和數據接收。

　　① CAN初始化

　　其主要是設置CAN的通信參數。需要初始化的寄存器有：模式寄存器（Peli CAN模式）、時(shí)分寄存器、接收代碼寄存器、屏蔽寄存器、總線(xiàn)定時(shí)寄存器、輸出控制寄存器等。需要注意的是，這些寄存器僅能在復位期間可寫(xiě)訪(fǎng)向，因此,在對這些寄存器初始化前，必須確保系統進(jìn)入了復位狀態(tài)，并且系統中各CAN控制器的總線(xiàn)定時(shí)寄存器的初始化字必須相同。

 

　　② 數據發(fā)送

　　現場(chǎng)的各傳感器把環(huán)境多參數的檢測信號（數字量、模擬量、開(kāi)關(guān)量）進(jìn)行轉換處理后，發(fā)向CAN控制器的發(fā)送緩沖區，然后啟動(dòng)CAN控制器的發(fā)送命令，此時(shí)CAN控制器將自動(dòng)向總線(xiàn)發(fā)送數據，不再需傳感器的微控制器進(jìn)行干預。若系統中有多個(gè)傳感CAN控制器同時(shí)向總線(xiàn)發(fā)送數據，則CAN控制器通過(guò)信息幀中的標識符來(lái)進(jìn)行仲裁，標識符數值最小的CAN控制器具有對總線(xiàn)的優(yōu)先使用權。

 

　　③ 數據接收

　　整個(gè)溫室微機測控系統中的CAN控制器檢測到總線(xiàn)上有數據時(shí)會(huì )自動(dòng)接收總線(xiàn)上的數據，存入其接收緩沖區，并向89C52微控制器發(fā)送接收中斷，啟動(dòng)中斷接收服務(wù)程序，89C52通過(guò)執行中斷接收服務(wù)程序，從CAN控制器的接收緩沖區讀取數據，并對其進(jìn)行進(jìn)一步處理工作。

 

　　(2)監控模塊

　　集成了所有的數據采集、參數設定、數據統計分析等功能。同時(shí)，為了實(shí)現操作人員對生產(chǎn)過(guò)程的人工干預，如修改給定值、控制參數和報警限等，添加了參數的修改功能；為了建立人機信息聯(lián)系，并且能將各節點(diǎn)傳輸來(lái)的數據以圖形、圖表或其它動(dòng)態(tài)方式顯示出來(lái)，本系統可以使用任何具有DDE（Dynamic Data Exchange）接口的MMI（Man-Machine interface）軟件；為了更好的管理各種數據，采取了組態(tài)控制方式，能夠接收來(lái)自MMI軟件以及用戶(hù)軟件的DDE連接請求，并將該請求傳遞給通信驅動(dòng)部分，由通信驅動(dòng)轉換為通信信號通過(guò)傳輸媒體傳遞給智能模塊的固化軟件。并將模塊的應答作為DDE操作的結果返回給MMI軟件及用戶(hù)軟件。

 

　　5 結論

　　將先進(jìn)的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)（CAN BUS）應用于智能測控系統，大大提高了系統的可靠性；自主開(kāi)發(fā)了符合國際標準的基于單片機的智能節點(diǎn)，不僅大量節約了資金，而且可以購置通用的同類(lèi)設備，可節約大量的研發(fā)費用；基于工控機的上位機提供了良好的人機界面，使操作更加方便，直觀(guān)。

 

　　參考文獻：

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