CAN總線的多參數(shù)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

姜開釋

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇省南京市 210094）

1 引言

我國(guó)隨著智能化數(shù)字時(shí)代的來臨，在工業(yè)機(jī)械制造業(yè)發(fā)展高度重視測(cè)控?cái)?shù)據(jù)精度的準(zhǔn)確性。工業(yè)機(jī)械生產(chǎn)先進(jìn)技術(shù)，設(shè)計(jì)智能多參數(shù)的測(cè)控局域網(wǎng)研究的熱點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國(guó)防建設(shè)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)領(lǐng)域，這與人們的生活及生產(chǎn)方式，存在著相對(duì)不同技術(shù)測(cè)定不同的參數(shù)。基于“多量一表，儀表多用”的思路，我們利用SJA1000建立了一個(gè)Intel16位高性能80C196CK的CAN總線通訊接口，有效整合多參數(shù)測(cè)控系統(tǒng)中的被測(cè)參數(shù)集中管理，全面掌控了系統(tǒng)具備強(qiáng)大的通信能力，以及測(cè)量、處理相關(guān)控制參數(shù)數(shù)據(jù)的必然趨勢(shì)。

2 CAN總線安裝系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)總線分析相關(guān)概念及特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了SJA1000設(shè)計(jì)電源模塊、電路節(jié)點(diǎn)的CAN總線界面，有效支持控制系統(tǒng)的總線式，串行設(shè)置通信網(wǎng)絡(luò)特定的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)來控制局部網(wǎng)絡(luò)，具有較強(qiáng)的通訊性能，如圖1所示。

圖1：多參數(shù)測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

通過系統(tǒng)主機(jī)模塊顯示信息化結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣系統(tǒng)，通過圖表的模式設(shè)計(jì)視覺傳感器，以及節(jié)點(diǎn)通信設(shè)計(jì)電路。通過相關(guān)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置總線通信方式,全面滿足多參數(shù)的要求，設(shè)置測(cè)控系統(tǒng)的外擴(kuò)14位的測(cè)量精度參數(shù)要求，滿足MAX125A/D轉(zhuǎn)換器、CPU內(nèi)帶A/D轉(zhuǎn)換器，支持總線傳輸多參數(shù)傳感器控制的PWM脈寬調(diào)制器，控制多路開關(guān)輸入/存儲(chǔ)器是解決了信息存儲(chǔ)與處理過程中，顯示了多個(gè)參數(shù)測(cè)量控制系統(tǒng)的局部網(wǎng)絡(luò)通信功能。

2.1 多參數(shù)采集電路

基于多參數(shù)核心的采集電路主要由在80C196KC、MAX125組成，關(guān)鍵是高速率多通道的采集芯片，保證模擬數(shù)字14位的轉(zhuǎn)換器，如圖2所示。MAX125是由MAXIM設(shè)計(jì)的，由內(nèi)建高速多路十四位信據(jù)采集晶片組成，由14bit逐次近式仿真數(shù)字變換器，換換時(shí)限3s，具有同步維持設(shè)備。分別由內(nèi)部電壓基準(zhǔn)參考為+2.5V，另一個(gè)通過輸入端，滿足緩沖的電壓基準(zhǔn)，控制內(nèi)部的時(shí)鐘鍵為16MHz時(shí)鐘，共同進(jìn)步組成4路輸入信號(hào)的多樣化采樣信息內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)同步采集取樣/保存系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)四個(gè)數(shù)據(jù)輸入的同步采集。保障MAX125每T/H前面設(shè)有2選1的轉(zhuǎn)換開關(guān)，配齊8個(gè)輸入信號(hào)的采集信息。

圖2：MAX125與80C196KC接口電路

設(shè)計(jì)中亦應(yīng)注意：

（1）輸入正負(fù)極的電壓范圍，需要MAX125正負(fù)極的供電措施，滿足0~+5V雙極性供電輸入電流范圍；

（2）保障基礎(chǔ)輸出A/D設(shè)備是14位的MAX125，控制16位的總線工作方法，設(shè)立CCB=#0FBH，有效滿足MAX125125片合適節(jié)選用合適時(shí)（有效低CS），現(xiàn)場(chǎng)靈活控制安裝函數(shù)，優(yōu)先保障信息化系統(tǒng)的靈活性與擴(kuò)展性，保障8字節(jié)結(jié)構(gòu)的傳輸接受方式，除了滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃設(shè)計(jì)總線的長(zhǎng)度和寬度，設(shè)計(jì)控制信號(hào)BW=1的16位信道長(zhǎng)度,以及驗(yàn)收總線濾波器配置節(jié)點(diǎn)通信接口卡、圖像采集卡等方面的軟件配置設(shè)計(jì)；

（3）保障測(cè)控系統(tǒng)CAN的通信協(xié)議設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以及調(diào)試總線通信的實(shí)驗(yàn)波特率參數(shù)，設(shè)置數(shù)據(jù)圖像切換初始化實(shí)驗(yàn)控制的MAX125選擇，滿足A0~A3確定的讀取數(shù)據(jù)控制內(nèi)容；

（4）A/D轉(zhuǎn)換及讀數(shù)時(shí)序由HSO.0控制。

2.2 CAN總線接口

CAN總線是汽車控制局部網(wǎng)絡(luò)(ControllerAreaNetwork)的簡(jiǎn)稱縮寫，基于分布式控制電場(chǎng)等線的實(shí)施情況，有效保證通信網(wǎng)絡(luò)串行控制的性能，通過高效可靠性、廣泛個(gè)性化設(shè)計(jì)的理念設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，促進(jìn)測(cè)控系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)通道。

2.2.1 視覺傳感器視頻控制CAN總線調(diào)試應(yīng)用的研究特點(diǎn)

基于64路視覺傳感器成功切換圖像輸入信號(hào)的視頻切換／傳輸功能，有效發(fā)揮了CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信的主要特點(diǎn)：一是在報(bào)文傳輸時(shí)不涉及目標(biāo)位置，它是接收站通過在報(bào)文上表示數(shù)據(jù)特性的標(biāo)志來過濾報(bào)文，將所有該接收到的全部接收下來，不該接收到的全部放棄，這也是基于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的廣播范圍；二是針對(duì)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)測(cè)控管理的需求，現(xiàn)代CAN總線具備了如下主要技術(shù)特點(diǎn)：

（1）采用多主式和主從式結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化CAN總線協(xié)議支持網(wǎng)絡(luò)任何節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息的工作，滿足現(xiàn)代化的CAN總線沿用ISO/OSI模式設(shè)置雙絞線，同時(shí)控制通信的傳輸速度達(dá)1MBPS/40M，滿足網(wǎng)絡(luò)全局廣播方式，及收發(fā)數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)符標(biāo)定優(yōu)先發(fā)送測(cè)控傳輸數(shù)據(jù)的優(yōu)化速率長(zhǎng)度10km/5kbps，設(shè)置節(jié)點(diǎn)滿足不同優(yōu)先級(jí)，為主從式結(jié)構(gòu)發(fā)送節(jié)點(diǎn)通信功能的完整性，系統(tǒng)通信正確的系統(tǒng)調(diào)度策略，可以優(yōu)化控制CAN總線內(nèi)最大可連接110臺(tái)計(jì)算機(jī)。

（2）CAN總線采用分布式、集散系統(tǒng)的測(cè)控系統(tǒng)，保障CAN總線與視覺機(jī)器傳感器掛載總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的使用長(zhǎng)、短幀架構(gòu),從而控制每個(gè)幀對(duì)應(yīng)的CRC檢測(cè)技術(shù)措施,因此數(shù)字錯(cuò)誤率低極,而且傳遞時(shí)限極短，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、全域播報(bào)等各種方式的信息傳遞只需報(bào)文濾波即可。

（3）測(cè)控CAN系統(tǒng)圍繞多主方式的模式，依次結(jié)合不同的節(jié)點(diǎn)信息，分成不同的優(yōu)先級(jí)網(wǎng)絡(luò)，在任何時(shí)間內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)上的任何一個(gè)環(huán)節(jié)都可以將消息主動(dòng)發(fā)送到Internet上的節(jié)點(diǎn)上，滿足測(cè)控系統(tǒng)與視覺機(jī)器進(jìn)行檢測(cè)自動(dòng)化、智能化、高度集成化的發(fā)展趨勢(shì)。

2.2.2 SJA1000的CAN總線接口設(shè)計(jì)

CAN總線界面技術(shù)原理圖3中顯示，SJA1000將上位機(jī)PC-CAN端口與現(xiàn)場(chǎng)微處理器相數(shù)字，并將其作為集成電路中的總線連接芯片。

圖3：CAN總線接口原理圖

圍繞CAN控制器中的微處理器80C196KC，主要將“80C196KC”與“SJA1000”中的（ALE、RD、WR）依次相連，通過相連后，聚焦最小的測(cè)控系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)。80C196KC可由地址總線選出SJA1000，并可由GAL譯碼來選取，或透過直接讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的方式來存取SJA1000。該集成電路的主要工作原理是,利用CAN總線收到了來源于上位機(jī)的消息并完成各種數(shù)據(jù)信息組態(tài)，接著下傳到下位機(jī)的控制電路中完成偵測(cè)工作，一旦下位機(jī)的上載消息在芯片中收到，會(huì)產(chǎn)生微處理器觸發(fā)SJA1000中斷現(xiàn)象，然后控制中斷程序，接收的每一幀消息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，有效糾正CAN總線上傳到上位機(jī)環(huán)節(jié)的誤碼、錯(cuò)碼。通過研究測(cè)控系統(tǒng)與機(jī)器視覺的工作原理，設(shè)置CAN總線的傳輸通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置PCA82C250保障線路抗干擾時(shí)間的功能，增強(qiáng)通信的具體時(shí)間，需要控制射頻，避免RF的干擾，有效預(yù)防熱防護(hù)，同時(shí)控制CAN總線兩端的電阻124Ω，為進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)間的抗干擾的可靠性功能，從而設(shè)計(jì)各節(jié)點(diǎn)電源模塊的特性方案，實(shí)現(xiàn)通路電阻協(xié)同發(fā)展的CAN總線整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3 CAN測(cè)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

基于C語言設(shè)計(jì)測(cè)控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)，按照用戶的硬件結(jié)構(gòu)融合資源信息，編輯相應(yīng)模塊化需求的功能。保障完整性表達(dá)子系統(tǒng)，控制 C語言應(yīng)用功能，訪問物理地址的硬件操作特點(diǎn)，確?？刂瓶偩€的節(jié)點(diǎn)，通過采集數(shù)據(jù)體現(xiàn)通信采集與結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的開發(fā)環(huán)境。全面提升了軟件設(shè)計(jì)程序保障測(cè)控系統(tǒng)的各項(xiàng)程序，提升了主監(jiān)控程序管理數(shù)據(jù)采集，及相應(yīng)的顯示控制程序、鍵盤掃描管理程序等，滿足CAN總線的通訊處理功能：

（1）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主監(jiān)控程序：主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互各功能模塊、以及機(jī)器、調(diào)度管理、與用戶之間的組態(tài)、系統(tǒng)初始化程序、設(shè)備自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)程序、鍵盤輸入或掃描程序、顯示初始化控制以及默認(rèn)值輸出控制程序，有效調(diào)度和管理工作網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)預(yù)設(shè)值處理與輸出監(jiān)控進(jìn)程等。

（2）數(shù)據(jù)采集及處理程序：負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)采集及各種參數(shù)變量信號(hào)預(yù)處理的控制操作。

（3）全面保障顯示控制的程序，在完成控制選擇測(cè)試參數(shù)顯示操作后，通過顯示量程選擇、誤差范圍，有效保障設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行的狀態(tài)，顯示控制鍵盤掃描與提示操作，有效保障自動(dòng)檢測(cè)故障報(bào)警顯示參數(shù)等。

（4）CAN通信程序：為了進(jìn)行整體CAN通信是控制CAN總線的監(jiān)控程序，由專門的電子通信子程序，處理相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送、端口設(shè)置，設(shè)備選擇以及初始化等功能。

3.1 CAN通信程序設(shè)計(jì)

3.1.1 程序流程

結(jié)合不同設(shè)定的初始化結(jié)果，控制傳輸數(shù)據(jù)處理提取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域所需的數(shù)據(jù)，構(gòu)成信息幀傳送給CAN控制器，再發(fā)送到緩沖區(qū)域，圖4顯示了整個(gè)CAN數(shù)據(jù)通信程序的步驟。

圖4：CAN通信程序流程

進(jìn)行屏蔽寄存器或調(diào)試總線定時(shí)的時(shí)序寄存器，全面控制輸出寄存器的初始化參數(shù)等，接受程序僅需從接收到緩沖區(qū)讀出信息痕跡，并保留數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)區(qū)(datamemory)內(nèi)，將CAN連接數(shù)據(jù)通信編程分為三部分:CAN初始化、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)傳輸與發(fā)送?？刂萍拇嫫谕瓿蒀AN初始化模式，設(shè)置CAN通信參數(shù)控制時(shí)分寄存器，保證指定的CAN網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)設(shè)備接收代碼，控制寄存器的基礎(chǔ)參數(shù)。

3.1.2 程序設(shè)計(jì)

為了提高汽車CAN系統(tǒng)正常工作的電壓范圍值10.2～15.0V，保障測(cè)控系統(tǒng)的工作電壓要求，設(shè)置系統(tǒng)軟件模塊功能檢測(cè)節(jié)點(diǎn)通信協(xié)議處理信息傳輸?shù)膶?shí)效性，從而滿足CAN測(cè)控系統(tǒng)檢測(cè)線路的短路、斷路以及引發(fā)通信信號(hào)的失真，沒有提高CAN系統(tǒng)檢測(cè)故障的安全性，從而設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)通信程序設(shè)計(jì)編程語句，程序設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5：CAN通信程序設(shè)計(jì)

4 結(jié)語

綜上所述，基于多參測(cè)控制系統(tǒng)按照相應(yīng)的“多量一表、一表多用”的設(shè)計(jì)思想理念，對(duì)測(cè)控系統(tǒng)，綜合測(cè)控平臺(tái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量、顯示與處理,通過準(zhǔn)確設(shè)置參數(shù)進(jìn)行控制測(cè)控系統(tǒng)裝置的人機(jī)互動(dòng)技術(shù)。通過CAN總線構(gòu)成的數(shù)據(jù)通訊接口，使得硬件組成更為簡(jiǎn)化，并與工業(yè)局域網(wǎng)絡(luò)行成通信測(cè)量數(shù)據(jù)的方式，結(jié)合測(cè)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)際需求，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整測(cè)試通道，測(cè)試對(duì)象，測(cè)試精度，測(cè)試量程等組態(tài)方式。結(jié)合實(shí)際情況選擇項(xiàng)目的方式，按照實(shí)際需求選擇不同的傳感器，對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)調(diào)整溫度與濕度、電流與電壓、流量與速度等方面的各種參數(shù)值，從而滿足現(xiàn)代化測(cè)控系統(tǒng)總線控制技術(shù)的通信需求。