智能測控儀表系統(tǒng)的ＣＡＮ總線及接口研究

梁建平

摘要：分析了CAN現(xiàn)場總線特點(diǎn)，提出了智能測控儀表系統(tǒng)的CAN總線通信方案，闡述了智能儀表中通用CAN通信接口的硬件設(shè)計(jì)與軟件實(shí)現(xiàn)框圖。

關(guān)鍵詞：智能測控儀表；CAN總線；單片機(jī)

中圖分類號：TB22文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3198(2009)06-0299-02

智能儀表是自動化學(xué)科的重要組成部分，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展及工業(yè)控制自動化程度的提高，尤其是微電子、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)日新月異的變化，對現(xiàn)場檢測控制儀表的智能化程度的要求也越來越高，同時(shí)，工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，對生產(chǎn)過程的集中監(jiān)控要求也日趨迫切，這就要求儀表具備較強(qiáng)的遠(yuǎn)距離通訊的功能，智能儀表逐漸向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展。智能儀表一方面可以進(jìn)行人機(jī)對話及與外部儀器設(shè)備對話，通過現(xiàn)場總線接入自動測試系統(tǒng)；另一方面，使用者借助面板上的鍵盤和顯示屏，可用對話方式選擇測量功能，設(shè)置參數(shù)?，F(xiàn)場總線的產(chǎn)生反映了儀器儀表自身發(fā)展的需要。而在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域內(nèi)，長期以來使用RS—232通信標(biāo)準(zhǔn)，盡管被廣泛的使用，但卻是一種低數(shù)據(jù)速率和點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，無能力支持更高層次的計(jì)算機(jī)之間的功能操作。同時(shí)，在復(fù)雜或大規(guī)模應(yīng)用中，需要使用大量的傳感器、執(zhí)行器和控制器等，它們通常分布在非常廣的范圍內(nèi)，所以在底層，的確需要一種造價(jià)低廉而又能適應(yīng)工收現(xiàn)場環(huán)境的通信系統(tǒng)，現(xiàn)場總線就是在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生的?，F(xiàn)場總線是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)，是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機(jī)化測量控制設(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)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的低層控制網(wǎng)絡(luò)，是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。由于它適應(yīng)了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的方向，在減少系統(tǒng)線纜，簡化系統(tǒng)安裝、維護(hù)和管理，降低系統(tǒng)的投資和運(yùn)行成本，增強(qiáng)系統(tǒng)性能等方面的優(yōu)越性，它一經(jīng)產(chǎn)生便成為全球工業(yè)自動化技術(shù)的熱點(diǎn)，受到全世界的普遍關(guān)注。

自20世紀(jì)80年代末以來，有幾種類型的現(xiàn)場總線技術(shù)己經(jīng)發(fā)展成熱并且廣泛應(yīng)用于特定的領(lǐng)域。這些現(xiàn)場總線技術(shù)各具特點(diǎn)，有的已經(jīng)逐漸形成自己的產(chǎn)品系列，占有相當(dāng)大的市場份額。幾種比較典型的現(xiàn)場總線有CAN總線、LonWorks總線、PROFIBUS總線等。CAN(ControlAreaNetwork)總線是山德國BOSCII公司為實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信而設(shè)計(jì)的現(xiàn)場總線。與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，使其應(yīng)用范圍不再局限于幾汽車工業(yè)，而向機(jī)械工業(yè)、過程工業(yè)等領(lǐng)域發(fā)展，更適合現(xiàn)場級工業(yè)監(jiān)控設(shè)備的互聯(lián)。CAN總線規(guī)范已經(jīng)成為國際標(biāo)準(zhǔn)，被公認(rèn)為幾種最有發(fā)展前途的現(xiàn)場總線之一。具體來說，CAN具有以下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，只有兩根線與外部相連；通信方式靈活，以多主方式下作而不分主從，可以點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)；廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼；采用短幀格式，每幀數(shù)據(jù)長度最多為8個字節(jié)，可滿足工業(yè)控制領(lǐng)域的一般要求。同時(shí)8個字節(jié)不會占用總線時(shí)間過長，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性；采用非破壞性總線仲裁技術(shù)；采用CRC檢驗(yàn)并提供相應(yīng)的錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性；CAN節(jié)點(diǎn)具有自動關(guān)閉功能，在節(jié)點(diǎn)錯誤嚴(yán)重的情況時(shí)自動切斷與總線的聯(lián)系，這樣可不影響總線正常工作。

1智能測控儀表的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一個典型的基于CAN總線的智能測控儀表的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)主要由兩部分組成：上位機(jī)和智能測控儀表，測控儀表的主要任務(wù)是接收來自上位機(jī)的命令完成工業(yè)現(xiàn)場的各種模擬量的采集和實(shí)現(xiàn)對各種生產(chǎn)設(shè)備的控制，而上位機(jī)則負(fù)責(zé)對整個智能測控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和管理，其任務(wù)包括CAN節(jié)點(diǎn)狀態(tài)消息的顯示及報(bào)警、向CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令及控制參數(shù)、接收CAN節(jié)點(diǎn)數(shù)抓、曲線顯示、存儲打印等。這些功能可利用現(xiàn)代微機(jī)豐富的資源和強(qiáng)大的功能實(shí)現(xiàn)，除此之外，通過對采集數(shù)據(jù)的后臺處理，還可實(shí)現(xiàn)諸如數(shù)字濾波PFT變換等智能化功能，CAN通信采用兩線接口，要進(jìn)行通信的各節(jié)點(diǎn)的控制器通過CAN驅(qū)動器連接到CAN總線上，各節(jié)點(diǎn)在CAN通信中沒有物理地址，而是采用軟件ID辨識的方式對在總線上廣播的信息進(jìn)行過濾，以及當(dāng)多個節(jié)點(diǎn)需要同時(shí)信息傳送時(shí)決定信息傳送的優(yōu)先級。

芯片與CAN總線的通信通過CAN總線收發(fā)器進(jìn)行，CAN總線收發(fā)器是CAN控制器和物理總線間的接口，提供對總線的差動放人和接收功能。要實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與CAN總線的通信，必須借助于PC機(jī)的CAN通信卡，這種卡市場上有很多，可根據(jù)需要進(jìn)行選擇，亦可自行設(shè)計(jì)。

2智能測控儀表的接口設(shè)計(jì)

CAN總線是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，在CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可以完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理。

SJA1000是Philips公司PCA82C200型CAN控制器的后續(xù)產(chǎn)品，在軟件和引腳上均與PCA82C200兼容，井增加了許多新的功能，性能更佳，尤其適用于對系統(tǒng)優(yōu)化、診斷和維護(hù)要求比較高的場合。SJA1000的功能由以下幾部分構(gòu)成：接口管理邏輯；發(fā)送緩沖器，能夠存儲1個完整的報(bào)文事(擴(kuò)展的或標(biāo)準(zhǔn)的)；驗(yàn)收濾波器；接收F1F0；CAN核心模塊。

SJA1000的一端與單片機(jī)相連，另一端與CAN總線相連。但是，為了提高單片機(jī)對CAN總線的驅(qū)動能力，可以把82C250作為CAN控制器和物理總線間的接口，以提供對總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接收能力。

若用SJA1000作為流量計(jì)的CAN控制器，與CPU(單片機(jī))相連，再通過PCA82C250組成CAN總線。這種結(jié)構(gòu)很容易實(shí)現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的信息收發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的控制。

CAN通信協(xié)議主要由CAN控制器完成，SJA1000是適用于汽車和一般工收環(huán)境控制器局域網(wǎng)(CAN)的高集成度控制器，具有完成高性能通信協(xié)議所要求的全部特性，具有簡單總線連接的SJA1000可完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能，應(yīng)用層功能可由微控制器完成，SJA1000為其提供多用途的接口。

SJA1000操作期間，在上電之前必須配置控制線路(中斷、復(fù)位、片選等)建立與CAN控制器之間通信的硬件連接。初始化、CAN通信采用中斷方式數(shù)據(jù)發(fā)送和接收子程序。

如果在上電后獨(dú)立CAN控制器在引腳17得到1個復(fù)位脈沖(低電平)，它就能夠進(jìn)入復(fù)位模式。在對SJA1000寄存器設(shè)置前，CAN控制器通過讀復(fù)位模式請求標(biāo)志來檢查是否己進(jìn)入復(fù)位模式，因?yàn)橐渲眯畔⒌募拇嫫髦挥性趶?fù)位模式才能寫入，并涉及到對控制寄存器CR、驗(yàn)收碼寄存器(ACR)驗(yàn)收屏蔽寄存器(AMR)、總線定時(shí)寄存器(BTRO和BTR1)輸出控制寄存器(OCR)的初始化編程。時(shí)鐘分頻寄存器可以選擇BasicCAN或PeliCAN工作模式，設(shè)置CLKOUT引腳使能用來選擇頻率，設(shè)置是否使用旁路CAN輸入比較器和是否使用TX1輸出用為專門的接收中斷輸出。驗(yàn)收代碼和驗(yàn)收屏蔽寄存器的設(shè)置可以過濾信息，為收到的信息定義驗(yàn)收代碼；為與驗(yàn)收代碼相關(guān)位比較定義驗(yàn)收屏蔽代碼。

總線定時(shí)寄存器定義總線上的位速率。輸出控制寄存器定義CAN總線輸出引腳TX0和TX1的輸出模式，定義TX0和TX1輸出引腳配置是懸空、下拉、上拉或推挽以及極性。中斷寄存器設(shè)置允許識別的中斷源。

3結(jié)語

多個智能儀表通過CAN接口與PC連成總線網(wǎng)，其系統(tǒng)運(yùn)行良好。這種基于現(xiàn)場總線的智能儀表系統(tǒng)抗干擾性強(qiáng)、性能可靠，無論是測量速度、精確度和自動化程序還是性價(jià)比都是傳統(tǒng)儀表不能比擬的，是今后儀器儀表發(fā)展的方向。

參考文獻(xiàn)

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