變電站現(xiàn)場(chǎng)總線適配卡設(shè)計(jì)分析

　　現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是20世紀(jì)80年代中期在國(guó)際上發(fā)展起來(lái)并應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的、在微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)。它將專用的微處理器置入傳統(tǒng)的測(cè)量控制儀表中，使它們各自都具有數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力，采用可進(jìn)行簡(jiǎn)單連接的雙絞線作為總線，把多個(gè)測(cè)量控制儀表連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并按公開(kāi)、規(guī)范的通信協(xié)議，在現(xiàn)場(chǎng)的多個(gè)微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間以及現(xiàn)場(chǎng)儀表與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，形成適應(yīng)各種實(shí)際需要的自動(dòng)控制系統(tǒng)。
　　
　　一、現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)
　　
　　現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)有：1、CAN總線是到目前為止惟一有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線；2、CAN為多主工作方式，網(wǎng)絡(luò)上的任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從。在報(bào)文標(biāo)識(shí)符上，CAN上的節(jié)點(diǎn)分成不同的優(yōu)先級(jí)，可滿足不同的實(shí)時(shí)要求，優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)最多可在134μs內(nèi)得到傳輸。
　　
　　二、適配卡的結(jié)構(gòu)
　　
　　這里研制的CAN適配卡由ISA接口、雙口RAM、微控制器89C52、CAN通 信控制器SJA1000、CAN收發(fā)器82C250、數(shù)據(jù)緩存器、地址譯碼與控制邏輯和中 斷信號(hào)控制邏輯等部分組成。
　　1、雙口RAM及控制電路。PC機(jī)與CAN控制器之間要進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送，必須在PC機(jī)和適配卡上的微處理器之間建立雙向的數(shù)據(jù)通道。這里采用共用外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的方法。集成雙口RAM是一種性能優(yōu)良的快速通信器件，適用于多CPU分布式系統(tǒng)及高速數(shù)字系統(tǒng)中，它有兩路完全獨(dú)立的端口，每個(gè)端口都有完整的地址和數(shù)據(jù)控制線，采用IDT7006雙口RAM。對(duì)于雙口RAM端口的爭(zhēng)用問(wèn)題，可采用可編程邏輯器件EPM7128S來(lái)實(shí)現(xiàn)。EPN171285是一種典型的EPLD器件，采用了先進(jìn)的CMOS EEPROM技術(shù)，內(nèi)含2500個(gè)邏輯門和128個(gè)宏單元，可以在PCB板上直接對(duì)芯片進(jìn)行編程。在該適配卡中，EPM7128S主要完成數(shù)據(jù)總線的驅(qū)動(dòng)、中斷信號(hào)處理以及共享存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)緩沖器的地址譯碼。適配卡上的雙口RAM使用內(nèi)存映像的方式6ec0acb0cecec23c6f116ac1db916f281b71339b35f423240d48124972766c73直接映射到主機(jī)內(nèi)存空間，實(shí)現(xiàn)適配卡與主機(jī)的數(shù)據(jù)交換。內(nèi)存映象法是將適配卡的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址配置于PC機(jī)的主存儲(chǔ)器的高端，PC機(jī)可以采用寫主存儲(chǔ)器的方式將數(shù)據(jù)直接寫在適配卡的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，PC機(jī)不訪問(wèn)適配卡的微控制器時(shí)就可以讀寫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)。
　　2、微控制器電路。微控制器采用ATMEL公司的89C52，它與MCS51系列完全兼容，帶有8k字節(jié)的系統(tǒng)可編程Flash和256B的片內(nèi)RAM。它主要承擔(dān)節(jié)點(diǎn)與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信和協(xié)調(diào)管理工作。當(dāng)89C52與CAN總線通信時(shí)，通常由于總線上所掛的節(jié)點(diǎn)有多個(gè)，所以需要在適配卡上設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖器，用于暫存由節(jié)點(diǎn)上發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)?？紤]到變電站需要測(cè)控的節(jié)點(diǎn)較多，所以選用容量較大的緩沖器，這里選用DS1245。它是DALLAS公司生產(chǎn)的全靜態(tài)非易失性保護(hù)RAM，容量為128kbit，在芯片內(nèi)部有鋰電池和掉電保護(hù)電路，可防止因適配卡掉電引起的測(cè)量數(shù)據(jù)丟失。由于適配卡的工作環(huán)境干擾很嚴(yán)重，使得電路調(diào)試比較復(fù)雜且故障率也較高，本卡設(shè)計(jì)了三種復(fù)位方式。一種為上電復(fù)位方式，即在PC機(jī)通電時(shí)，同時(shí)對(duì)適配卡也進(jìn)行復(fù)位；第二種為在調(diào)試時(shí)出現(xiàn)故障，使用手動(dòng)復(fù)位鍵進(jìn)行復(fù)位；第三種方式為軟件復(fù)位，這種方法是使用初始化模塊中的軟件指令對(duì)適配卡進(jìn)行復(fù)位。
　　3、通信控制器。CAN通信控制器采用PHILIPS公司的SJA1000，它是一種獨(dú)立的CAN控制器，主要應(yīng)用于移動(dòng)目標(biāo)和一般的工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域控制。在本適配卡中SJA1000主要完成具體的報(bào)文發(fā)送和報(bào)文接收。SJA1000的基本特點(diǎn)有：具有擴(kuò)展的64字節(jié)接受緩沖器，先進(jìn)先出（FIFO）；支持CAN2.0A和CAN2.0B協(xié)議；支持11位和29位的標(biāo)識(shí)碼；通信速率可達(dá)1Mbps；24MHz時(shí)鐘頻率；可與不同的微處理器接口；可編程的CAN輸出驅(qū)動(dòng)器配置；可工作于BasicCAN和PeliCAN兩種狀態(tài)。
　　CAN控制器的內(nèi)部采用模塊結(jié)構(gòu)，由七個(gè)部分組成：接口管理邏輯（IML）用于解釋來(lái)自CPU的命令，控制CAN寄存器的尋址，向主控制器提供中斷信息和狀態(tài)信息；發(fā)送緩沖器（TXB）是CPU與BSP之間的接口，緩沖器可以存儲(chǔ)有13個(gè)字節(jié)的一條完整的報(bào)文；接收緩沖器（RXB）是接收濾波器和CPU之間的接口，用于存儲(chǔ)從CAN總線上接收并被確認(rèn)的信息；驗(yàn)收濾波器（ACF），用于對(duì)接收到的標(biāo)識(shí)碼進(jìn)行驗(yàn)收，以決定是否接收下這條報(bào)文；位流處理器（BSP）是一個(gè)在發(fā)送緩沖器、RXFIFO和CAN總線之間控制數(shù)據(jù)流的隊(duì)列發(fā)生器，它還執(zhí)行總線上的錯(cuò)誤檢測(cè)、仲裁、填充和 錯(cuò)誤處理；位時(shí)序邏輯（BTL），用于監(jiān)視串行的CAN總線和位時(shí)序；錯(cuò)誤管理邏輯（EML），用于限制傳輸層模塊的錯(cuò)誤。
　　4、輔助電路。CAN控制器SJA1000并不能直接與總線相連，還要通過(guò)總線驅(qū)動(dòng)器才能接于總線上。本適配卡采用82C250總線驅(qū)動(dòng)器，為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，SJA1000的TX0和TX1通過(guò)高速光耦6N137后與82C250相連，使得總線上的各節(jié)點(diǎn)具有很好的電氣隔離。
　　
　　三、CAN通訊適配卡的軟件設(shè)計(jì)
　　
　　適配卡主要承擔(dān)上位機(jī)和節(jié)點(diǎn)之間的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。軟件設(shè)計(jì)包含兩部分：一部分是上位機(jī)的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，該程序采用VB6.0開(kāi)發(fā)，用于完成上位機(jī)和雙口RAM之間的通信，包括上位機(jī)向適配卡上的雙口RAM發(fā)送控制命令、數(shù)據(jù)命令、請(qǐng)求數(shù)據(jù)命令、請(qǐng)求狀態(tài)命令和接收數(shù)據(jù)等。另一部分是適配卡上的微處理器的程序設(shè)計(jì)，使用KeilC編寫，下位機(jī)上的程序負(fù)責(zé)微處理器與雙口RAM以及微處理器與SJA1000之間的通信。
　　其軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是向CAN控制器轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)自PC機(jī)的命令，并由SJA1000進(jìn)一步轉(zhuǎn)發(fā)到CAN節(jié)點(diǎn)，并將由控制器接受的來(lái)自節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息送到雙口RAM。
　　同時(shí)在程序開(kāi)發(fā)中還包含對(duì)89C52的初始化，雙口RAM的初始化以及SJA1000的初始化。SJA1000初始化主要是指設(shè)置模式、總線時(shí)序、中斷使能、屏蔽碼和ID信號(hào)，這些設(shè)置是通過(guò)對(duì)芯片的內(nèi)部寄存器賦值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
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