CAN總線在礦用明渠流量計中的應(yīng)用

王 燕 王 新

（中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012）

0 引言

目前，流量儀表的傳輸方式以主從方式為主，多通過4 mA～20 mA模擬信號疊加Hart協(xié)議、RS485總線等進行數(shù)據(jù)通信，當(dāng)主節(jié)點任務(wù)繁忙或出現(xiàn)故障時，可能會造成數(shù)據(jù)丟失[1]。CAN（控制器局域網(wǎng)絡(luò)）是ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議，可以有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)[2]，具有實時性強、傳輸距離較遠、優(yōu)先權(quán)仲裁功能[3]以及錯誤處理檢錯機制可靠等優(yōu)點，已經(jīng)成熟應(yīng)用于汽車通信領(lǐng)域。近些年，CAN總線逐步推廣到工業(yè)自動化領(lǐng)域，市場上對流量計提出了具備CAN總線通信的要求，該文根據(jù)客戶需求，在礦用隔爆兼本安型明渠流量計中集成CAN控制器，實現(xiàn)了CAN通信，同時該電路也滿足礦用產(chǎn)品本質(zhì)安全的防爆要求。

1 CAN總線簡介

1.1 技術(shù)規(guī)范

控制局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）是一種多主方式的傳輸總線，總線上的每個設(shè)備都可以成為主機，每個節(jié)點的設(shè)備可以互相通信，當(dāng)多個設(shè)備同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，會優(yōu)先發(fā)送高優(yōu)先級ID單元設(shè)備的數(shù)據(jù)。CAN總線通過CANH和CANL端口與物理總線進行連接。其中CANH和CANL信號使用差分電壓進行傳送，當(dāng)CANH、CANL對地電壓都為2.5 V，2根導(dǎo)線的電壓差值為0 V，被稱為“隱性”，用邏輯“1”表示；當(dāng)CANH對地電壓為3.5 V、CANL對地電壓為1.5 V時，2根導(dǎo)線的電壓差值為2 V，被稱為“顯性”，用邏輯“0”表示。2.0 B規(guī)范中的幀類型包括數(shù)據(jù)幀、遠程幀、錯誤幀和過載幀[4]。數(shù)據(jù)幀又分為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀和擴展數(shù)據(jù)幀，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀具有11位標(biāo)識符，擴展數(shù)據(jù)幀包括29位標(biāo)識符，2種數(shù)據(jù)幀的不同點在于“識別符擴展”位。

1.2 CAN協(xié)議

根據(jù)客戶的需求，明渠流量計CAN協(xié)議采用擴展數(shù)據(jù)幀格式，1個CAN數(shù)據(jù)幀中包括幀信息、幀ID和幀數(shù)據(jù)，共13個字節(jié)，具體字節(jié)分配見表1。

表1 CAN數(shù)據(jù)幀

1.2.1 幀信息

幀信息的大小為1 B，可以用來標(biāo)識CAN幀的類型、長度等基本信息，每一位的定義見表2，該設(shè)計定義為8 B的遠程幀、擴展幀。

表2 幀信息各位的定義

表2中，F(xiàn)F是標(biāo)準(zhǔn)幀和擴展幀標(biāo)識，0表示標(biāo)準(zhǔn)幀，1表示擴展幀；RTR是遠程幀和數(shù)據(jù)幀標(biāo)識，0表示遠程幀，1表示數(shù)據(jù)幀；保留表示值為0。D3～D0表示該CAN幀數(shù)據(jù)的長度，本儀表協(xié)議中數(shù)據(jù)長度為8 B。

1.2.2 總站指令

幀ID的長度為4 B，擴展幀的有效位為29位，高位定義為0x1FFF（x表示十六進制數(shù)）。幀數(shù)據(jù)的長度為8位，該文設(shè)計的明渠流量計可以通過改變發(fā)送間隔自動上傳報文，也可以根據(jù)總站需求通過指令向數(shù)據(jù)采集端發(fā)送接收數(shù)據(jù)，具體指令見表3。

表3 總站指令表

2 硬件電路設(shè)計

明渠流量計采用液位法測量流過標(biāo)準(zhǔn)堰槽的流量，其主控芯片采用MSP430F5438A單片機，該單片機是16位精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，該設(shè)計采用3.3 V的電源供電，工作主頻為12 MHz。液位信號經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過I2C接口進入單片機，為了減小模擬信號與數(shù)字信號的干擾，在ADC與單片機之間增加隔離元件，ADC側(cè)采用5 V的本安電源供電。由于單片機未集成CAN控制器，因此該流量計選用Microchip公司的MCP2515 CAN控制器，并配合該公司的MCP2551 CAN收發(fā)器組成CAN網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)5 kbps～500 kbps的通信速率，流量計整體硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 流量計整體硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

MCP2515芯片的工作電壓為2.7 V～5.5 V，采用低功耗的CMOS技術(shù)，工作時典型電壓為5 mA，典型待機電流只有1μA，具有2種復(fù)位方式：硬件復(fù)位和SPI軟件復(fù)位。在該設(shè)計中，MCP2515電源引腳VCC采用單片機側(cè)的3.3 V電源供電，SPI片選引腳CS連接MSP430F5438A的USCIA0從機傳輸使能引腳P3.3，時鐘信號SCK連接MSP430F5438A的USCIA0時鐘信號P3.0，輸入SI、輸出SO引腳分別連接MSP430F5438A的UCA0SIMO和UCA0SOMI引腳，在MCP2515時鐘信號SCK的上升沿，可以通過SI引腳輸入外部數(shù)據(jù)和命令；在MCP2515時鐘信號SCK的下降沿，可以通過SO引腳輸出數(shù)據(jù)和命令。該設(shè)計中MCP2515復(fù)位采用SPI軟件復(fù)位，首先，將CS引腳拉低選中器件；其次，發(fā)送復(fù)位指令；最后，將CS引腳設(shè)置為高電平。為了避免硬件復(fù)位的干擾，在RESET引腳接10 kΩ上拉電阻R11至3.3 V電源。

為了加快單片機的反應(yīng)速度，采用中斷的方式進行數(shù)據(jù)處理，MCP2515的INT引腳接單片機的中斷輸入引腳P2.7。當(dāng)發(fā)生中斷時，MCP2515的INT引腳被設(shè)置為低電平，并一直保持這個狀態(tài)直到單片機發(fā)出清除中斷信號為止。MCP2515有8個中斷源。使能各中斷源的中斷標(biāo)志位包含在CANINTE寄存器中，當(dāng)CANINTE.RXnIE位置1（通過軟件令CANINTF.RXnIE=1），INT引腳將產(chǎn)生中斷，顯示接收到有效報文。各中斷源的中斷標(biāo)志位包含在CANINTF寄存器中，當(dāng)報文傳送到接收緩沖器時，對應(yīng)的CANINTF.RXnIF位置1，報文處理完畢后，需要清除CANINTF.RXnIF位，才能接收下一條報文。MCP2551 CAN收發(fā)器采用5 V的本安電源供電，MCP2551的CAN輸出/輸入引腳（TXD/RXD）與MCP2515對應(yīng)引腳（TXCAN/RXCAN）之間采用ADUM1201磁耦合隔離器進行電氣隔離，為了進一步提高CAN總線的抗干擾能力，在CAN接口處增加TVS及ESD器件，例如順變抑制（TVS）二極管PSM712、自恢復(fù)保險BK250-030以及強效放電管BK32001002，其CAN總線部分電路原理圖如圖2所示。

圖2 CAN總線部分電路原理圖設(shè)計

3 軟件設(shè)計

MCP2515支持CANV2.0B技術(shù)規(guī)范，自帶2個全接收緩沖器（RXB0和RXB1）和2個單獨的報文集成緩沖器（Message Assembly Buffer，MAB）.RXB0具有較高的優(yōu)先級，配置了1個屏蔽濾波器寄存器和2個驗收濾波寄存器；RXB1的優(yōu)先級低于RXB0，配置了1個屏蔽濾波寄存器和4個驗收濾波寄存器。報文需要先在RB0中進行濾波，對不需要的報文進行過濾。

MCP2515的工作模式包括配置模式、正常模式、休眠模式、僅監(jiān)聽模式和環(huán)回模式，芯片復(fù)位后，首先進入配置模式，分別對通信波特率、接收寄存器、濾波寄存器、屏蔽寄存器、清除中斷以及接收中斷使能等進行初始化，初始化后進入正常模式工作。MCP2515與單片機采用4線SPI總線進行數(shù)據(jù)傳輸，單片機在主機模式工作，其時序為模式0（CPOL=0；CPHA=0）或模式3（CPOL=1；CPHA=1）（CPOL為時鐘極性控制位；CPHA為時鐘相位控制位），單片機采用中斷方式進行數(shù)據(jù)收發(fā)，其初始化程序如下。

4 聯(lián)機調(diào)試

通過CANalyst-II分析儀與明渠流量計進行聯(lián)機調(diào)試。啟動設(shè)備后，設(shè)置通信波特率為10 kbps、設(shè)置過濾驗收碼和過濾屏蔽碼，選擇正常工作模式，測試總站指令及返回數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)收發(fā)如圖3所示。經(jīng)過調(diào)試，數(shù)據(jù)收發(fā)正常，各種參數(shù)設(shè)置無誤，驗證了硬件設(shè)計及軟件編程的正確性；明渠流量計CAN總線通信正常。

圖3 CAN協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸測試

5 結(jié)論

隨著CAN總線技術(shù)在煤炭礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)中進一步推廣和應(yīng)用，數(shù)據(jù)采集設(shè)備具備CAN協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸接口已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢。該文以MSP430F5438A單片機為主控芯片而設(shè)計的礦用隔爆兼本安型明渠流量計不僅有常規(guī)的4 mA～20 mA 、RS485和脈沖等輸出方式，還實現(xiàn)了基于CAN總線的通信功能，為遠程監(jiān)控礦井的流量數(shù)據(jù)提供了便利，符合智慧礦山的發(fā)展理念。目前，該產(chǎn)品準(zhǔn)確度等級為4.0級，獲得安標(biāo)國家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心頒發(fā)的礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志認證，且已經(jīng)完成投產(chǎn)，并在多個工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用。