多通道CAN-RS485微機(jī)監(jiān)測通訊分機(jī)

馬 娟

（西南科技大學(xué) 理學(xué)院，四川 綿陽 621010）

0 引言

由于CAN 總線具備抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、實時性好等特點，近年來CAN 總線應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大，且已逐步成為地鐵列車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的重要方向。但技術(shù)成熟的RS485 總線在國內(nèi)鐵路行業(yè)中被應(yīng)用廣泛，可見實現(xiàn)RS485 總線與CAN 總線互聯(lián)對鐵路行非常重要。

1 多通道通訊

由于鐵路站點的微機(jī)監(jiān)測站接收來自多個不同類型傳感器或采集器數(shù)據(jù)，如溫度傳感器、濕度傳感器、電量傳感器等，故本文提出了多通道CAN-RS485 微機(jī)檢測通訊分機(jī)，該模塊通信網(wǎng)絡(luò)有10 個節(jié)點，其中2 個主節(jié)點和8 個從節(jié)點。主節(jié)點即CAN 接口，負(fù)責(zé)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信；從節(jié)點即RS485 接口，每個接口允許負(fù)載20 個采集器，負(fù)責(zé)與采集器之間的數(shù)據(jù)通信，從而實現(xiàn)上位機(jī)與傳感器或采集器之間的雙向?qū)崟r通訊。

2 硬件設(shè)計

基于LPC2292 的多通道CAN-RS485 通訊分機(jī)硬件設(shè)計框圖如圖1 所示，主要由CAN 接口、RS485 接口、串口收發(fā)器、外部存儲器、時鐘RS485 接口和電源七部分組成。

圖1 硬件設(shè)計框圖

2.1 微控制器

考慮到本通訊分機(jī)需要實時處理大量的數(shù)據(jù)，且快速、準(zhǔn)確，本設(shè)計中微控制器選Phlips 公司的LPC2292 處理器。該芯片是一款32 位的ARMTDMI-S CPU 微控制器，支持JTAG 實時仿真和跟蹤，其豐富接口完全滿足設(shè)計需要。

2.2 CAN 接口設(shè)計

CAN 接口包括總線控制器和收發(fā)器兩部分，而LPC2292 包含CAN 控制器，只需外接CAN 總線收發(fā)器，本設(shè)計中選取高速帶隔離的CAN 收發(fā)器CTM-1050T，CAN 接口電路圖如圖2 所示。

圖2 CAN 接口電路圖

2.3 RS485 接口設(shè)計

RS485 接口如圖3 所示，為滿足RS485 通道與電源之間隔離耐壓DC 1500V，1min 的要求，設(shè)計中采用瞬態(tài)抑制二級管SMBJ7.0CA。由于本通訊分機(jī)有8 路RS485 通道，故RS485 接口采用四串口收發(fā)器SC16C554DBIB64。

圖3 RS485 接口電路圖

3 軟件設(shè)計

本微機(jī)監(jiān)測通訊分機(jī)中CAN 總線的軟件程序設(shè)計主要包括初始化CAN 控制器、幀接收及幀發(fā)送三部分。

3.1 CAN 幀結(jié)構(gòu)

CAN 總線采用CAN2..0B 擴(kuò)展幀格式，CAN 幀結(jié)構(gòu)具體定義如表1 所示。

其中，域的具體含義如下：

3.1.1 DIR——方向位

值為“0”時地址域是目標(biāo)地址(主機(jī)到從采集機(jī))，為“1”時地址域是源地址(采集機(jī)到主機(jī))。

表1 CAN 幀結(jié)構(gòu)

3.1.2 M/S——幀性質(zhì)

值為“0”時表示該幀為自主幀，為“1”時表示該幀為應(yīng)答幀。

3.1.3 G——優(yōu)先級

值為“0”時表示該幀優(yōu)先級為高級，為“0”時表示該幀優(yōu)先級為“1”低級。

3.1.4 ADDRESS——采集機(jī)地址

表示采集機(jī)地址，取值范圍為0～31，0＃ 為主機(jī)地址，1-30＃ 為采集機(jī)地址，31＃ 為廣播地址。

3.1.5 MF——幀類型

值“0”為時表示該幀為單幀，為“1”時表示該幀為多幀。

3.1.6 CMD——命令

表示該幀的意義，即指明應(yīng)答幀內(nèi)容。

3.1.7 INDEX OF FRAME——幀序號

表明傳送多幀時該幀的序號。

3.1.8 SUM OF FRAME——總幀數(shù)表明該次數(shù)據(jù)傳送的總幀數(shù)（＝總字節(jié)數(shù)/8+1），該次數(shù)據(jù)傳送的總字節(jié)數(shù)=SUM OF FRAME*8+最后幀的DLC。

3.2 初始化CAN 控制器

對LPC2292 中的CAN 控制器初始化包括以下內(nèi)容：

（1）初始化CAN 模式寄存器CANMOD，僅設(shè)置LOW 為僅聽模式；

（2）初始化驗收濾波器模式寄存器CANAFMR，設(shè)置驗收濾波器為旁路，所有RX 信息都被使能的CAN1 控制器接收；

（3）初始化出錯警告界限寄存器CAN1EWL；

（4）初始化CAN 總線時序寄存器CAN1BTR，初始化波特率、總線時序、采樣位；

（5）初始化中斷使能寄存器CANIER，中斷使能寄存器中所有中斷使能。

3.3 幀接收

幀接收處理采取中斷方式，通過獲取中斷和捕獲寄存器CANICR狀態(tài)進(jìn)行中斷控制。

當(dāng)捕獲到接收中斷時，CAN 控制器從接收緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，該過程具體如下：

（1）從CAN RX 幀狀態(tài)寄存器CANRFS 獲得接收信息長度dlc；

（2）從CAN RX 標(biāo)識符寄存器獲取接收幀ID，從而獲得當(dāng)前幀的幀序號、總幀數(shù)；

（3）從CAN RX 數(shù)據(jù)寄存器獲取數(shù)據(jù)并存放于通訊緩沖區(qū)；

（4）釋放接收緩沖區(qū)，設(shè)置can 命令寄存器CANCMR 中RRB 為1；

（5）接收完成初始化通訊緩沖區(qū)，并根據(jù)接收幀ID 中的CMD 進(jìn)行應(yīng)答。

3.4 幀發(fā)送

CAN 幀分為自主幀和應(yīng)答幀，且本通訊分機(jī)為多通道，CAN 控制器在進(jìn)行幀發(fā)送時其流程如下：

（1）初始化通訊緩沖區(qū)，包括設(shè)置設(shè)置本次幀長度，設(shè)置通訊標(biāo)志為發(fā)送狀態(tài)，設(shè)置通訊數(shù)據(jù)緩沖區(qū)指針，初始化發(fā)送幀序號；

（2）逐點將RS485 節(jié)點數(shù)據(jù)存入通信緩沖區(qū)；

（3）當(dāng)CAN 全局狀態(tài)寄存器獲得發(fā)送緩存去狀態(tài)處于無發(fā)送信息時，依次向CAN TX 幀信息寄存器中寫入幀信息、向CAN1 TX 數(shù)據(jù)寄存器中寫入通信緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。

4 測試

針對通訊分機(jī)的隔離電壓、電源電壓及溫度變化的影響，本通訊分機(jī)經(jīng)過一系列測試如表2 所示，測試結(jié)果表明本通訊分機(jī)具備可靠性高、耐高低溫性和耐壓性強(qiáng)。

表2 CAN 通訊測試

針對本通訊分機(jī)的通訊能力，對RS485 通道進(jìn)行滿負(fù)載且間斷運(yùn)行測試。測試結(jié)果表明本通訊分機(jī)中RS485 通道負(fù)載能力不小于20 個節(jié)點，采用示波器觀察RS485 通道輪詢時間間隔最小為100ms。測試結(jié)果表明本通訊分機(jī)具備實時性和負(fù)載能力強(qiáng)。

5 結(jié)束語

作為當(dāng)前應(yīng)用最廣泛得現(xiàn)場總線CAN 總線，與傳統(tǒng)的RS485 串行總線間的轉(zhuǎn)換存在重要的現(xiàn)實意義，本多通道微機(jī)監(jiān)測通訊分機(jī)實現(xiàn)了二者的轉(zhuǎn)換，且滿足可靠性高、耐高低溫性、平均無故障時間長等特性。

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