基于CAN總線的增強型監(jiān)控系統(tǒng)

周然，王莉娜，高小安

（北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191）

1 引言

在電影洗印工業(yè)中，洗片工藝參數(shù)和大型高速設(shè)備運行狀態(tài)的有效監(jiān)控是提高膠片洗印質(zhì)量和生產(chǎn)安全管理的關(guān)鍵［1］，此外，車間潮濕、設(shè)備線路繁多等現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境，導(dǎo)致電磁干擾嚴重等問題。目前我國電影洗片監(jiān)控系統(tǒng)主要采用人工、RS232等通信方式，由于其存在通信速率低、實時性差、抗干擾能力較弱等缺陷，無法滿足有效監(jiān)控洗片生產(chǎn)過程和兼容復(fù)雜電磁環(huán)境的要求。控制器局域網(wǎng)（controller area network，CAN）是一種有效支持分布式實時控制的多主串行總線，以其通信速率高、實時性好、抗干擾能力強等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用，但應(yīng)用在惡劣電磁環(huán)境下的傳統(tǒng)的CAN總線大型工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，仍存在通信效率較低、數(shù)據(jù)誤碼率偏高等不足，因此，本文以6臺高速電影洗片機的監(jiān)控為例提出了一種基于CAN總線的增強型電影洗片監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案，實現(xiàn)了洗片工藝參數(shù)和功率設(shè)備狀態(tài)的實時有效監(jiān)控，且有效提高了系統(tǒng)通信效率和容錯性。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

為了滿足電影洗印工業(yè)自動化對監(jiān)控系統(tǒng)實時、可靠通信的要求，本系統(tǒng)采用集散控制思想進行構(gòu)架，確定為上下位機的監(jiān)控形式，利用CAN總線網(wǎng)絡(luò)，將分散的洗片控制單元與監(jiān)控主機連接起來，形成統(tǒng)一的整體，實現(xiàn)上位機集中管理和下位機分散控制，從而達到一臺PC機監(jiān)控6臺洗片機的目的，系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The overall structure of the system

下位機以DSP TMS320F2812型處理器為控制核心，利用其高速數(shù)字信號處理能力，分析處理傳感器采集數(shù)據(jù)，并通過CAN總線將信息實時準確地發(fā)送給上位機；中控室設(shè)計基于Lab－VIEW的上位機監(jiān)控平臺，利用計算機強大的圖形用戶界面，結(jié)合企業(yè)級數(shù)據(jù)庫和工業(yè)以太網(wǎng)，實現(xiàn)工作狀態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)備份和故障處理等功能，從而為電影洗片自動化生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

本系統(tǒng)在傳統(tǒng)CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過搭建TMS320F2812內(nèi)嵌eCAN模塊接口電路、制定符合實際要求的CAN通信協(xié)議，大幅提高CAN總線通信速率和運行效率，此外，運用數(shù)據(jù)校驗和原理，設(shè)計基于LabVIEW的數(shù)據(jù)安全校驗軟件，實現(xiàn)對傳輸數(shù)據(jù)的安全加密與解碼，能夠有效解決通信干擾問題?；贑AN總線的增強型電影洗片監(jiān)控系統(tǒng)具有通信速率高、傳輸距離遠、數(shù)據(jù)誤碼率低等特性，可以適應(yīng)現(xiàn)場惡劣的電磁干擾環(huán)境。

3 內(nèi)嵌eCAN模塊接口電路

由于DSP TMS320F2812芯片本身集成了一個完整的增強型CAN控制器即eCAN，因此，系統(tǒng)不必外加CAN控制器就可實現(xiàn)CAN總線的底層協(xié)議，且硬件簡單、可靠實用。

較常采用的eCAN控制器通信接口電路，一般由光電隔離器6N137和CAN收發(fā)器PCA82C系列組成，此方式技術(shù)成熟、抗干擾能力強，但存在體積偏大、電路復(fù)雜和成本較高等缺陷。

本系統(tǒng)采用CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)器CTM8251［2］，以 CTM8251作為eCAN 控制器和CAN總線的接口，提供對總線差分信號的發(fā)送和接收功能，eCAN接口電路硬件電路如圖2所示。

圖2 eCAN接口電路硬件電路圖Fig.2 The hardware structure of eCAN unit interface

CTM8251的RXD和TXD引腳兼容3.3V和5V的通用CAN控制器，TMS320F2812芯片引腳為3.3V標準，故兩者接口兼容，不需要進行電源轉(zhuǎn)換。在CAN總線兩端并聯(lián)2個阻值為120Ω的終端電阻R4和R5，目的是消除通信介質(zhì)中的信號反射；控制器CANG引腳與屏蔽電纜線的屏蔽層FGND共地相連，提高CAN通信的抗干擾能力。

由于CAN收發(fā)器CTM8251完全符合ISO 11898標準，集電源隔離、電氣隔離、CAN收發(fā)器和總線保護于一體，不但可以增大通信距離、提高CAN通信速率、增強系統(tǒng)的抗干擾能力和保護總線，還具有接口簡單、使用方便等優(yōu)點，是嵌入式系統(tǒng)的理想選擇。

4 CAN通信協(xié)議制定

CAN通信協(xié)議采用國際ISO 898標準，它只規(guī)定了ISO－OSI共7層模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的技術(shù)規(guī)范，但沒有規(guī)定應(yīng)用層協(xié)議。本系統(tǒng)以電影洗片監(jiān)控為應(yīng)用對象，通過設(shè)計CAN應(yīng)用層通信協(xié)議，從本質(zhì)上提高了CAN總線通信效率。

4.1 標識符定義和報文優(yōu)先級設(shè)定

系統(tǒng)采用CAN2.0B標準報文格式，并只進行數(shù)據(jù)幀傳輸。在CAN2.0B標準中，標準幀的標識符長11位，且只定義了幀的結(jié)構(gòu)，沒有定義有關(guān)發(fā)送和接收的信息，因此可以通過自行定制識別碼的含義，將所需要的信息包含于其中。標識符具體定義見表1。

表1 標識符定義Tab.1 Identifier definition

在表1中，數(shù)據(jù)幀傳送方式有單幀和多幀傳送，ID26為0時表示單幀傳送，為1時表示多幀傳送，本系統(tǒng)選用單幀傳輸方式即可滿足數(shù)據(jù)傳輸要求，多幀傳送方式作為備用，作為系統(tǒng)功能擴展，用于大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸；目標地址為CAN數(shù)據(jù)傳送目標的節(jié)點地址，每一個CAN節(jié)點都只有唯一的目標地址，是實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)的唯一憑證。

同時，系統(tǒng)利用CAN的媒體訪問控制（media access control，MAC）機制，進行系統(tǒng)優(yōu)先級設(shè)定，實現(xiàn)不同類型數(shù)據(jù)按照不同優(yōu)先級進行逐位仲裁［3］，優(yōu)先級設(shè)定具體見表2。

表2 優(yōu)先級設(shè)定Tab.2 Priority setting

一般情況下，CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)按照時間觸發(fā)［4］，不涉及到優(yōu)先級評定，只有當(dāng)兩數(shù)據(jù)幀傳輸發(fā)生沖突時，CAN總線才按照優(yōu)先級進行仲裁。優(yōu)先級高的優(yōu)先發(fā)送，而優(yōu)先級低的則退出發(fā)送競爭，等待CAN總線空閑。由于洗片監(jiān)控系統(tǒng)收發(fā)周期短，傳輸數(shù)據(jù)量較大，傳輸沖突經(jīng)常發(fā)生，優(yōu)先級的設(shè)定很好地解決了數(shù)據(jù)發(fā)送沖突的問題，滿足了洗片流量控制指令和功率設(shè)備故障信號需要優(yōu)先發(fā)送的原則，提高了CAN總線實時性和通信效率。

4.2 數(shù)據(jù)格式定義

為了嚴格保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性，系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)校驗和原理，自定義傳輸數(shù)據(jù)的報文格式，并根據(jù)報文格式對數(shù)據(jù)進行封裝和解碼，實現(xiàn)對傳輸數(shù)據(jù)的安全校驗，數(shù)據(jù)格式定義見表3。

表3 數(shù)據(jù)格式定義Tab.3 Data format definition

Data7位為數(shù)據(jù)起始碼，表示數(shù)據(jù)開始；Data6位為洗片機型號，數(shù)據(jù)大小表示洗片機型號；Data5－Data1位為洗片數(shù)據(jù)，共5個字節(jié)；Data0為CS（checksum，校驗和）校驗碼，即數(shù)據(jù)校驗和驗證碼，對數(shù)據(jù)幀中的Data7－Data1進行校驗和計算即可得到校驗碼CS。

5 基于LabVIEW的安全校驗軟件

雖然CAN通信采用CRC校驗的剩余誤差率總計不超過3×10－5，但考慮現(xiàn)場電磁環(huán)境復(fù)雜、通信距離較遠和存在人工誤操作等情況，容易導(dǎo)致收發(fā)數(shù)據(jù)不一致的問題，因此，系統(tǒng)以Lab－VIEW監(jiān)控軟件為平臺，采用數(shù)據(jù)校驗和方法［5］，增加數(shù)據(jù)安全校驗功能，確保發(fā)送數(shù)據(jù)準確無誤傳送到接收端，保證通信數(shù)據(jù)的絕對安全可靠。

數(shù)據(jù)校驗和計算步驟如下：將數(shù)據(jù)塊的所有字節(jié)相加，丟去進位，取反后加1，得到的8字節(jié)結(jié)果，即為校驗和。

5.1 發(fā)送端程序設(shè)計

首先，配置發(fā)送模式。由于上位機采用USB方式與CAN總線進行通信，因此，系統(tǒng)通過LabVIEW中VISA模塊，設(shè)置USB傳輸方式為批量數(shù)據(jù)發(fā)送，數(shù)據(jù)發(fā)送個數(shù)為8字節(jié)，完成發(fā)送模式配置。

按照制定的CAN通信協(xié)議，封裝發(fā)送端數(shù)據(jù)格式，使之完全符合該協(xié)議。由于上位機監(jiān)控中心給洗片控制設(shè)備發(fā)送控制指令，故數(shù)據(jù)格式包括控制指令、校驗碼等8個字節(jié)信息。利用LabVIEW的For循環(huán)函數(shù)構(gòu)造數(shù)據(jù)校驗和計算公式，計算控制指令前7個字節(jié)校驗和，得到校驗碼，完成發(fā)送數(shù)據(jù)封裝，啟動“發(fā)送”按鍵，便可實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送，具體發(fā)送流程如圖3a所示。

圖3 數(shù)據(jù)安全校驗流程圖Fig.3 Flow diagram of data secure calibration

上位機完成數(shù)據(jù)發(fā)送，只表示數(shù)據(jù)安全加密工作結(jié)束，為了使上位機數(shù)據(jù)準確無誤地傳送到下位機，還需要DSP CAN模塊對接收數(shù)據(jù)進行校驗，校驗方法是利用校驗和公式計算接收數(shù)據(jù)前7個字符的校驗和，與接收數(shù)據(jù)的校驗碼（最后一個字節(jié)）進行比較，若相等，表示接收的控制指令有效，否則表示無效，應(yīng)重新啟動接收。

5.2 接收端程序設(shè)計

接收程序設(shè)計與發(fā)送程序設(shè)計原理相同，實現(xiàn)方法類似。

配置接收模式，使接收端以批量方式進行數(shù)據(jù)接收，且接收個數(shù)為8個字節(jié)。讀取串口數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，每8字節(jié)數(shù)據(jù)讀取一次，并將讀取結(jié)果顯示在前面板上，利用For循環(huán)計算前7個字節(jié)的校驗和，將其與數(shù)據(jù)自帶的校驗碼相比較，若相等，表示數(shù)據(jù)有效，保存數(shù)據(jù)；否則表示無效，返回接收步驟，重新接收，具體接收流程如圖3b所示。

6 系統(tǒng)運行結(jié)果及分析

本系統(tǒng)已通過北京某洗片廠的試運行，根據(jù)現(xiàn)場運行結(jié)果，可判斷系統(tǒng)運行穩(wěn)定、安全、可靠，較好地滿足了電影洗片監(jiān)控系統(tǒng)的各項要求。

圖4所示為洗片機監(jiān)控系統(tǒng)上位機監(jiān)控界面，通過此界面，工作人員可以實時查看片型、溫度和流量等洗印工藝參數(shù)以及主電源電壓、熱交換器電流等功率設(shè)備運行狀況，同時根據(jù)現(xiàn)場工況，對管路流量進行精確控制，實現(xiàn)對洗印過程實時遠程控制。由圖4可知，僅有2，3和5號洗片機處于正常工作狀態(tài)，其他洗片機未啟動，工作狀態(tài)下的洗片機具體參數(shù)見圖4。

圖4 上位機監(jiān)控界面Fig.4 The monitoring interface of the upper computer

此外，以6臺電影洗片機為測試對象，對增強型洗片監(jiān)控系統(tǒng)通信性能進行了實驗測試，具體測試條件為：測試時間為2h，通信距離為220m左右，CAN總線波特率為125kb／s，測試數(shù)據(jù)結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，在測試的2h內(nèi)，系統(tǒng)共收發(fā)2268540組數(shù)據(jù)，通過計算可知監(jiān)控系統(tǒng)平均通信速率為118kb／s，而一般的RS232串口最高通信速率僅為20kb／s，說明本系統(tǒng)是一個高通信速率監(jiān)控系統(tǒng)；誤碼率為0，表明2268540組數(shù)據(jù)均已準確無誤傳送，說明本系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信具有極強的安全性。同時測試過程還發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)通信速率有一定極限，一般不超過220kb／s，經(jīng)過分析后得知系統(tǒng)通信速率還受到通信距離、CAN收發(fā)周期等因素的限制，故而無法進一步提高。

從測試結(jié)果可以看出本系統(tǒng)較之傳統(tǒng)CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)，通信效率、容錯性和抗干擾性能等均得到了大幅的提升，系統(tǒng)整體通信性能得到了較大增強，從而實現(xiàn)了對洗片過程中各個環(huán)節(jié)和節(jié)點的實時高效監(jiān)控，較好地適應(yīng)了現(xiàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境。

圖5 測試數(shù)據(jù)記錄Fig.5 Data recording of testing

7 結(jié)論

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于CAN總線的增強型電影洗片監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)在傳統(tǒng)CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，提高了CAN總線通信速率和運行效率，增加了通信數(shù)據(jù)安全校驗功能，有效解決了通信干擾問題，適應(yīng)了現(xiàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境。該系統(tǒng)已成功通過電影洗片生產(chǎn)測試，從現(xiàn)場運行結(jié)果可知本系統(tǒng)具有通信速率高、實時性好、抗干擾性強和操作簡單等優(yōu)點，對于實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的實時監(jiān)控和安全管理具有重要意義。

［1］裴曉宇，王莉娜，張震，等.基于DSP的電影洗片自動控制系統(tǒng)［J］.電氣傳動，2010，40（8）：57－60.

［2］王強，張建喜.RS232通信網(wǎng)絡(luò)與CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)計［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2010，36（9）：158－160.

［3］邱緒云，吳光強，范睿.自動變速器CAN總線通信技術(shù)的實現(xiàn)［J］.電氣傳動，2007，37（2）：47－49.

［4］董珂，李克強.CAN總線技術(shù)及其在混合動力電動車上的應(yīng)用［J］.清華大學(xué)學(xué)報，2003，43（8）：32－36.

［5］陳金平，王生澤，吳文英.基于LabVIEW的串口通信數(shù)據(jù)校驗和的實現(xiàn)方法［J］.自動化儀表，2008，29（3）：32－34.