基于CAN總線模塊的網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

時(shí)間：2009-10-13 09:48:00

關(guān)鍵字：測(cè)控系統(tǒng) CAN總線模塊 C8051F060

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[導(dǎo)讀]基于 CAN總線的網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)在現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)中，起到越來(lái)越重要的作用。本文著重對(duì)基于網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)的 CAN總線進(jìn)行研究，提出了網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)擴(kuò)展 CAN總線模塊的設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了 CAN總線模塊的硬件原理和軟件實(shí)現(xiàn)。

1 引言
CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)采用統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是 CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)集成的方式之一，目前，它還是一個(gè)探索性的工作。雖然嵌入式控制的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，但是 CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)采用統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)還是一個(gè)嶄新的課題。這種方式將成為控制網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)絡(luò)完全集成的最終解決方案。由于分布式控制網(wǎng)絡(luò)采用了面向不同應(yīng)用的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，因此二者集成時(shí)需要某種數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換機(jī)制，這將使系統(tǒng)復(fù)雜化，而且也不能確保數(shù)據(jù)的完整性。本文給出了基于 CAN總線模塊的網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)的各個(gè)硬件模塊，以及 CAN通信的軟件編程思想。
2 硬件系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)模塊
2.1 分布式測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖 1 基于 CAN總線的分布式測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)擴(kuò)展 CAN總線模塊，要擔(dān)負(fù)至少兩個(gè)方面的任務(wù)：一是支持現(xiàn)場(chǎng)操作，包括數(shù)據(jù)采集、人機(jī)對(duì)話等；二是與上級(jí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，作為網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)的底層設(shè)備。本文針對(duì)實(shí)驗(yàn)室的過(guò)程控制設(shè)備模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)了基于現(xiàn)場(chǎng)總線 CAN的分布式數(shù)字測(cè)控卡，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1所示。

基于 CAN總線的分布式測(cè)控卡主要由單片機(jī) C8051F060,輸入/輸出電路、電源電路、人機(jī)接口和通信接口幾部分組成。測(cè)控卡的工作原理如下：C8051F060單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型 MCU，是數(shù)據(jù)采集與實(shí)施控制的理想微型控制器。它集成了兩個(gè) 16位、1Msps的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，且?guī)в?DMA控制器 ;集成有兩個(gè) 12位數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式；集成有控制器局域網(wǎng)(CAN2.0B)控制器，具有 32個(gè)消息對(duì)象，每個(gè)消息對(duì)象有自己的標(biāo)識(shí)掩碼。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)通過(guò) I/V轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)， C8051F060單片機(jī)采集此信號(hào)后，通過(guò) CAN總線發(fā)送給上級(jí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)上級(jí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)下傳的命令和參數(shù)經(jīng) DAC和 V/I轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成 0-20mA的電流信號(hào)，控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。人機(jī)界面提供系統(tǒng)狀態(tài)與操作人員的友好交流平臺(tái)，且備用了一路 RS-232異步串行通信總線。
本測(cè)控卡的微處理器是新華龍公司生產(chǎn)的單片機(jī) C8051F060，該系列芯片是集成在一塊芯片上的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)單片機(jī)，其內(nèi)核是與 MCS-51指令集完全兼容的 CIP-51微控制器內(nèi)核，可以使用標(biāo)準(zhǔn) 803x/805x的匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。
在設(shè)計(jì)該測(cè)控卡時(shí)，為了增加系統(tǒng)的靈活性，將測(cè)控卡設(shè)計(jì)成了兩塊 PCB插接在一起的方式。C8051F060，JTAG接口及其晶振獨(dú)立出來(lái)，設(shè)計(jì)在一塊板子上稱為核心板，系統(tǒng)的其他應(yīng)用設(shè)計(jì)在另一塊板子上稱為應(yīng)用板。核心板已構(gòu)成了最簡(jiǎn)單片機(jī)系統(tǒng)，可以在不需要外圍電路的基礎(chǔ)進(jìn)行程序的下載和調(diào)試；而應(yīng)用板則可根據(jù)系統(tǒng)的需要靈活設(shè)計(jì)外圍電路，這樣，對(duì)于不同系統(tǒng)的應(yīng)用需要只需修改應(yīng)用板就可以了。
2.2 JTAG調(diào)試接口與晶振電路
在 C8051F系列單片機(jī)片內(nèi)都有一個(gè) JTAG接口和邏輯，在上位機(jī)軟件的支持下，PC機(jī)通過(guò) JTAG接口直接對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行在系統(tǒng)仿真調(diào)試。它不僅支持 FLASH ROM的讀/寫(xiě)操作以及非侵入式在系統(tǒng)調(diào)試，而且還為 JTAG邏輯在系統(tǒng)測(cè)試提供了邊界掃描功能。 C8051F系列單片機(jī)上的四個(gè)引腳 TDI, TDO, TMS, TCK與調(diào)試工具串口適配器(RS232到 JTAG的接口模塊)直接相連，進(jìn)行程序的下載和調(diào)試。圖 2 (a)是 JTAG調(diào)試接口。
C8051F060單片機(jī)包括一個(gè)可編程內(nèi)部振蕩器和外部振蕩器驅(qū)動(dòng)電路，系統(tǒng)可以由外部振蕩器電路或內(nèi)部振蕩器分頻提供。系統(tǒng)復(fù)位后可編程內(nèi)部振蕩器被默認(rèn)為系統(tǒng)時(shí)鐘，且對(duì)應(yīng) 24.5MHz的基頻。而外部振蕩器電路可以驅(qū)動(dòng)外部晶體、陶瓷諧振器、電容或 RC網(wǎng)絡(luò)，也可以使用一個(gè)外部 CMOS時(shí)鐘提供系統(tǒng)時(shí)鐘。為了使串行通信接口的波特率精確更高，本測(cè)控卡使用了外部 11.0592MHz的晶振，并可用 l0MΩ電阻并聯(lián)到晶振的兩端，使系統(tǒng)更容易起振，如圖 3(b)所示。

2.4 電源電路
C8051F060單片機(jī)的工作電壓為+3.3V，測(cè)控系統(tǒng)中還使用了 5V器件，本文設(shè)計(jì)了如圖 3所示的電源電路。首先 220V交流電經(jīng)濾波器進(jìn)行共模濾波和差模濾波，為了降低電源工作時(shí)的電磁輻射，將交流電整流成高壓直流電，然后進(jìn)入電源模塊 HAT15-05H12-WFCI得到輸出+5V和一個(gè)+12V的兩路直流電壓。+12V供 ADC電路和 DAC電路單元使用，另一路 5V電源供 MAX202等 5V器件使用。3.3V電源部分采用了 LDO芯片 SPX1117M3-3.3，其特點(diǎn)是輸出電流大，輸出電壓精度高，穩(wěn)定性高。

C8051F060器件具有控制局域網(wǎng)(CAN)控制器，用 CAN協(xié)議進(jìn)行串行通信。Silicon Labs CAN控制器符合 Bosch規(guī)范 2.0A(基本 CAN)和 2.0B(全功能 CAN)。CAN控制器包含一個(gè) CAN核、消息 RAM、消息處理狀態(tài)機(jī)和控制寄存器。C8051F060內(nèi)部的 CAN只是一個(gè)協(xié)議控制器，不提供物理層驅(qū)動(dòng)器。它的工作位速率可以達(dá) 1M位/秒，實(shí)際速率可能受 CAN總線上所選擇傳輸數(shù)據(jù)的物理層的限制。CAN處理器有 32個(gè)消息對(duì)象，可以被配置為發(fā)送或接受數(shù)據(jù)。輸入數(shù)據(jù)、消息對(duì)象及其標(biāo)識(shí)掩碼存儲(chǔ)器在 CAN消息 RAM中。所有數(shù)據(jù)發(fā)送和接收過(guò)濾的協(xié)議處理全部由 CAN控制器配置 CAN控制器，讀取接收到的數(shù)據(jù)和寫(xiě)入待發(fā)送的數(shù)據(jù)。CAN控制器的時(shí)鐘等于 CIP-51 MCU的時(shí)鐘(SYSCLK)。由于考慮到系統(tǒng)在不同場(chǎng)合的適用性，采用了兩路 CAN驅(qū)動(dòng)器。一路采用 TI公司生產(chǎn)的 SN65HVD230，工作電壓 3.3V，適應(yīng)惡劣工作環(huán)境的 CAN總線收發(fā)器，其最大傳輸能力可達(dá) 1Mbps。具有失地保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)等功能。第 8腳的不同設(shè)置可以使芯片工作于高速、斜坡控制和低功耗 3種工作模式。本測(cè)控卡中，第 8腳接地使芯片工作于高速模式。并聯(lián)在總線上的 30pF的電容 C24, C25可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的能力。
另一路采用的是 82C250CAN收發(fā)器，芯片 82C250是 CAN控制器與物理總線之間的接口，它最初是為汽車(chē)中的高速應(yīng)用(達(dá) 1 Mbps)而設(shè)計(jì)的。器件可以提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送和接收功能。
82C250采用雙向差分驅(qū)動(dòng)，有助于抑制汽車(chē)等惡劣電氣環(huán)境下的瞬變干擾。利用 82C250還可方便地在 CAN控制器與驅(qū)動(dòng)器之間建立電氣隔離，以實(shí)現(xiàn)總線上各節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。本系統(tǒng)中 82C250的通信電路如圖 4。

3 軟件實(shí)現(xiàn)
本節(jié)中將對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行詳細(xì)闡述。由于被測(cè)控的幾個(gè)量都是緩慢變化的，對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求不高。單片機(jī)大部分時(shí)間在進(jìn)行參數(shù)測(cè)量，每次測(cè)量結(jié)束后使用查詢方式將測(cè)量結(jié)果保存到數(shù)據(jù)緩沖池中。由于單片機(jī)的 RAM容量有限(C8051F060具有 4K的 RAM )，筆者使用了數(shù)據(jù)緩沖池，以保存一定數(shù)量的測(cè)量結(jié)果。緩沖池使用先進(jìn)先出策略，在保存時(shí)先判斷緩沖池是否填滿，沒(méi)滿時(shí)緩沖指針加 1，數(shù)據(jù)保存進(jìn)下一個(gè)單元，填滿時(shí)使指針指向緩沖池的頂部，數(shù)據(jù)保存進(jìn)緩沖池，以前的數(shù)據(jù)丟掉。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是 CAN通信，因此，在 CAN通信時(shí)采用了中斷方式。整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)部分的軟件流程圖如圖 5。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本文詳細(xì)介紹了基于 CAN總線模塊的網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。該測(cè)控系統(tǒng)是采用 C8051F060作為微控制器，充分利用了該單片機(jī)豐富的片上資源，如 CAN控制器、AD轉(zhuǎn)換器、DA轉(zhuǎn)換器等，最后介紹了軟件的編程思想。