基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、可靠性，解決數(shù)據(jù)傳輸過程中易受干擾的問題，并保證數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的性能，采用CAN總線作為現(xiàn)場總線來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)過對系統(tǒng)軟硬件在不同環(huán)境下的多次測試，驗證了該系統(tǒng)的性能，同時也體現(xiàn)了CAN總線在通信能力、可靠性和實時性等方面的明顯優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞：CAN總線；數(shù)據(jù)采集；控制系統(tǒng)；串行通信

0 引言
    隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上的高速發(fā)展，使得信息的交流與共享變得空前廣泛和自如，而這項技術(shù)也滲入到自動化領(lǐng)域的變革當(dāng)中，現(xiàn)場總線(Fieldbus)由此應(yīng)運(yùn)而生，開創(chuàng)了工業(yè)控制的新篇章?，F(xiàn)場總線是一種應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場，在現(xiàn)場設(shè)備之間、現(xiàn)場設(shè)備和控制裝置之間實行雙向、串形、多結(jié)點的數(shù)字通信技術(shù)，在當(dāng)今自動化領(lǐng)域中具有廣闊的發(fā)展前景。本文給出了一種基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)設(shè)計方案，實現(xiàn)對開關(guān)量的數(shù)據(jù)采集和對外部設(shè)備的控制功能。
    控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network，CAN)總線是現(xiàn)場總線的一種，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行網(wǎng)絡(luò)通信，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面，并被公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場總線之一，其主要特點如下：
    (1)CAN是有國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線。
    (2)CAN為多主工作方式，網(wǎng)絡(luò)上的任意一節(jié)點都可在任意時刻向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點發(fā)送信息，且不分主從。
    (3)CAN采用非破壞總線仲裁技術(shù)。當(dāng)多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息出現(xiàn)沖突時，優(yōu)先級低的節(jié)點將主動退出發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點不受影響繼續(xù)發(fā)送。
    (4)CAN節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，使總線上其他節(jié)點的操作不受影響。
    (5)報文采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，受干擾概率低，而且每幀都有CRC校驗及其他校驗措施，具有極好的檢錯效果。
    (6)CAN的直接最遠(yuǎn)通信距離可達(dá)10 km，最高通信速率可達(dá)1 Mb／s。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
    系統(tǒng)主要由上位機(jī)(PC機(jī))和數(shù)據(jù)采集和控制模塊組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

    上位機(jī)是整個系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控和管理功能。CAN總線智能適配卡的作用是收集各個CAN節(jié)點上的數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)發(fā)到上位機(jī)，同時把上位機(jī)的命令轉(zhuǎn)發(fā)到各個節(jié)點。由于CAN總線特有的多主傳輸方式，各個節(jié)點根據(jù)需要自主地向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，而且在上位機(jī)監(jiān)聽各個節(jié)點的同時，節(jié)點也實時監(jiān)聽總線并接收自己需要的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集和控制模塊采用微處理器和可編程的CAN控制芯片，主要用于完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的傳送以及各個現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行的控制。

2 數(shù)據(jù)采集和控制模塊硬件設(shè)計
    基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)將功能盡可能地分散到各個控制模塊中，各個模塊以微處理器為核心，完成數(shù)據(jù)采集和控制功能。為了使信息能在CAN協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行通信，各個模塊都設(shè)有CAN總線接口電路。該模塊的微處理器(MCU)選用宏晶科技的STC89C52RC單片機(jī)。STC89C52RC是新一代超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗的8位單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機(jī)，36個通用I／O口，3個16位定時器／計數(shù)器，4路外部中斷。根據(jù)實際需求分析，STC89C52RC單片機(jī)完全滿足本設(shè)計的需求。數(shù)據(jù)采集和控制模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2．1 CAN總線接口硬件設(shè)計
    CAN總線接口硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    在本系統(tǒng)中CAN總線控制器選用SJA1000。SJA1000是Philips公司生產(chǎn)的獨立的CAN總線控制器，可以應(yīng)用于一般的工業(yè)環(huán)境中和移動目標(biāo)的CAN總線網(wǎng)絡(luò)控制。SJA1000是Philips半導(dǎo)體PCA82C200 CAN總線控制器BasicCAN的替代產(chǎn)品，而且增加了一種新的工作模式PeliCAN，這種模式能支持具有很多新特性的CAN 2．0B協(xié)議?；咎匦匀缦拢杭嫒軧asicCAN模式；擴(kuò)展地接收緩沖器(64 B，先進(jìn)先出FIFO)；同時支持11位和29位識別碼；位速率可達(dá)1 Mb／s；24 MHz時鐘頻率；對不同微處理器的接口兼容；可編程的CAN輸出驅(qū)動器配置。PeliCAN模式擴(kuò)展功能包括；可讀／可訪問的錯誤計數(shù)器；可編程的錯誤報警器；對每一個CAN總線錯誤進(jìn)行中斷；單次發(fā)送無重發(fā)；驗收濾波器控制4 B代碼、4 B屏蔽等。
    CAN總線收發(fā)器選用Philips公司生產(chǎn)的專用CAN總線收發(fā)器PCA82C250，提供CAN總線協(xié)議控制器和物理總線接口，而且對CAN總線控制器提供差動接收能力?；咎匦匀缦拢焊咚俾?最高達(dá)1 Mb／s)；具有抗瞬間干擾和保護(hù)總線的能力；利用斜率控制，可降低射頻干擾；使用差分接收器，可抗寬范圍的共模干擾，以及抗電磁干擾；熱保護(hù)；低電流待機(jī)模式；未上電的節(jié)點對總線無影響；可以支持多達(dá)110個節(jié)點。
    為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，并不是在SJA1000與PCA82C250之間直接相連，而是加入了高速光耦隔離器。這樣能很好地實現(xiàn)總線上各個CAN總線節(jié)點之間的電氣隔離。在該系統(tǒng)中高速光耦采用6N137。6N137兼容TTL和COMS電平，可通過信號的寬度為10 MHz，完全可滿足CAN總線信號1 Mb／s通信速率的要求。
2．2 開關(guān)量數(shù)據(jù)采集單元硬件設(shè)計
    該單元用于采集現(xiàn)場的開關(guān)量數(shù)據(jù)的采集。硬件電路圖如圖4所示。

    該單元將采集到的開關(guān)量數(shù)據(jù)傳送到微處理器，并傳送到CAN總線上，然后通過CAN總線智能適配卡轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)進(jìn)行處理。外界環(huán)境以及電路、器件本身對系統(tǒng)引入了干擾和噪聲，為了提高單片機(jī)系統(tǒng)的性能，保證其穩(wěn)定性，采用光耦器件進(jìn)行隔離，抑制干擾。光耦器件將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘枺庑盘杺魉偷浇邮軅?cè)再轉(zhuǎn)換為電信號。由于光信號的傳送不需要共地?？梢詫⒐怦钇骷蓚?cè)的地加以隔離。因此在加入光耦器件后，在傳輸信的同時能有效地抑制尖脈沖和各種噪聲干擾，大大提高通道上的信噪比。需要注意的是光耦器件兩端的電源不能共用，否則起不到隔離的作用。
2．3 控制單元硬件設(shè)計
    該單元用于控制現(xiàn)場外部設(shè)備的運(yùn)行。該單元硬件電路如圖5所示。

    該單元是上位機(jī)按照預(yù)先設(shè)定好的程序自動控制輸出，上位機(jī)通過CAN總線智能適配卡傳送開關(guān)量到CAN總線，然后數(shù)據(jù)采集和控制模塊根據(jù)需要接受CAN總線上的開關(guān)量，以控制現(xiàn)場設(shè)備。在該單元中，開關(guān)量通過單片機(jī)的I／O端口輸出，但I(xiàn)／O端口的驅(qū)動能力有限，一般不足以驅(qū)動繼電器，此時需要添加驅(qū)動電路。同時，為了避免單片機(jī)受到干擾，在驅(qū)動電路設(shè)計時，必須采取隔離措施。

3 軟件設(shè)計
    該系統(tǒng)軟件設(shè)計主要分為兩個部分：數(shù)據(jù)采集與控制模塊程序設(shè)計和CAN總線通信程序設(shè)計。
3．1 數(shù)據(jù)采集與控制模塊程序設(shè)計
    數(shù)據(jù)采集與控制模塊程序設(shè)計流程圖如圖6所示。

3．2 CAN總線通信程序設(shè)計
    CAN總線通信程序設(shè)計分為三個部分：CAN總線初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收。
    (1)CAN總線初始化。CAN總線初始化主要是設(shè)置一些通信參數(shù)，保證通信的正常進(jìn)行。初始化主要包括工作方式的設(shè)置、驗收濾波方式的設(shè)置、驗收屏蔽寄存器和驗收代碼寄存器的設(shè)置、波特率參數(shù)設(shè)置、中斷允許寄存器的設(shè)置等。特別需要注意的是，初始化只有在復(fù)位模式下才可以進(jìn)行，因為SJA1000配置信息的寄存器只有在復(fù)位模式下才可以進(jìn)行寫操作。
    (2)數(shù)據(jù)發(fā)送。數(shù)據(jù)發(fā)送前，微處理器周期查詢狀態(tài)寄存器，查看發(fā)送緩沖器是否被鎖定。若沒有鎖定，則把從現(xiàn)場取得的開關(guān)量數(shù)據(jù)發(fā)向CAN總線控制器的發(fā)送緩沖區(qū)，然后啟動CAN總線控制器發(fā)送命令，此時CAN總線控制器自動向總線發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送的流程圖如圖7所示。

    (3)數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)接收采用中斷方式。系統(tǒng)中的CAN控制器檢測到總線上有數(shù)據(jù)時會自動接收總線上的數(shù)據(jù)，存入其接收緩沖區(qū)，并向微控制器發(fā)送接收中斷，啟動中斷接收服務(wù)程序，通過執(zhí)行中斷接收服務(wù)程序，從CAN控制器的接收緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行進(jìn)一步處理工作。數(shù)據(jù)接收流程圖如圖8所示。

4 結(jié)語
    通過對系統(tǒng)的軟硬件的反復(fù)調(diào)試表明，該數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的設(shè)計方案是成功的。該系統(tǒng)能高速有效地采集、傳遞和處理現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并且能在惡劣環(huán)境下保證通信速率和極低的出錯率，運(yùn)行效果很好，體現(xiàn)了CAN總線高性能和高可靠性的優(yōu)點。