基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集記錄裝置設(shè)計(jì)

1.緒論

現(xiàn)場(chǎng)總線作為生產(chǎn)現(xiàn)的場(chǎng)數(shù)據(jù)通信與控制的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在測(cè)量控制領(lǐng)域隨著信息技術(shù)的發(fā)展已得到廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)被認(rèn)為是一種比較的成熟的技術(shù)，同時(shí)也被認(rèn)為是目前最具有前途的一種現(xiàn)場(chǎng)總線之一。然而，CAN現(xiàn)場(chǎng)總線作為一種面向工業(yè)底層控制的通信網(wǎng)絡(luò)，其局限性也是顯而易見(jiàn)的。首先，它不能與Internet互連，不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信息共享。其次，它不易與上位控制機(jī)直接接口。因此，我們?cè)诒疚闹幸胍蕴W(wǎng)技術(shù)。

以太網(wǎng)是在上個(gè)世紀(jì)70年代為連接多個(gè)實(shí)驗(yàn)室而開(kāi)發(fā)出的一種局域網(wǎng)技術(shù)，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展，以太網(wǎng)已成為當(dāng)今世界上應(yīng)用范圍最廣、最為常見(jiàn)的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。他在工業(yè)控制中的優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的：首先，基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)是一種標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放式的網(wǎng)絡(luò)，由其組成的系統(tǒng)兼容性和互操作性好，資源共享能力強(qiáng)，可以很容易的實(shí)現(xiàn)將控制現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)與信息系統(tǒng)上的資源共享;其次，數(shù)據(jù)的傳輸距離長(zhǎng)、傳輸速率高，而且很容易與Internet連接。

本設(shè)計(jì)利用基于ARM7內(nèi)核的LPC2294處理器，在深入分析了以太網(wǎng)、TCP/IP協(xié)議和CAN總線的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了兩路CAN總線和以太網(wǎng)的通信互聯(lián)。

2.系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用的處理器是PHIIPS公司推出的LPC2294,他是一款基于支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的ARM7TDMI內(nèi)核，功能強(qiáng)大且功耗低。

其顯著的優(yōu)點(diǎn)是非常適合于通訊網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器以及其它各種類型的應(yīng)用。設(shè)計(jì)中圍繞LPC2294內(nèi)核，進(jìn)行了最小系統(tǒng)和相應(yīng)的擴(kuò)展器件電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)里包括了復(fù)位電路、晶振電路、電源電路等關(guān)鍵電路。

2.1 系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)

由于核心控制器LPC2294需要2組電源：

1.8V的內(nèi)核供電電源和3.3V的I\O口供電電源，而以太網(wǎng)控制器RTL8019AS需要的供電電源為5V.因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了3個(gè)電壓轉(zhuǎn)換電路：采用降壓穩(wěn)壓器LM1575將輸入電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的5V輸出，再通過(guò)低壓差(LDO)穩(wěn)壓器SPX1117M-3.3把LM1575穩(wěn)壓輸出的5V作為輸入電源，轉(zhuǎn)換為3.3V輸出電源，同時(shí)利用SPX1117M-1.8得到了1.8V電源。

2.2 以太網(wǎng)電路設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)通信模塊采用了以太網(wǎng)控制器RTL8019AS(5V供電)和隔離接口HR90117A的組合方式。設(shè)計(jì)中使用兩路CAN進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由于LPC2294具有4路CAN控制器，其功能與SJA1000相似，因此只需外接兩個(gè)高速CAN隔離收發(fā)器便可達(dá)到通信的目的[2].

2.3 CAN電路設(shè)計(jì)

CAN總線模塊是本設(shè)計(jì)的核心部分，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的功能。設(shè)計(jì)中使用的CTM1050T是一款帶隔離的高速CAN收發(fā)器芯片，該芯片內(nèi)部集成了所有必需的CAN隔離及CAN收、發(fā)器件，這些都被集成在不到3平方厘米的芯片上，芯片的主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平并且具有DC2500V的隔離功能及ESD(Electro-Static Discharge,靜電釋放)保護(hù)作用。

本記錄儀使用CTM1050T向上兼容的3.3V和5V CAN控制器，實(shí)現(xiàn)了兩路CAN數(shù)據(jù)采集，所以LPC2294和CTM1050T之間數(shù)據(jù)發(fā)送接收引腳可以直接連接，同時(shí)我們還需加入一個(gè)電阻阻值為20Ω的終端電阻來(lái)提高數(shù)據(jù)通信的抗干擾性及可靠性。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)環(huán)境及設(shè)計(jì)流程

設(shè)計(jì)以VC++6.0為開(kāi)發(fā)環(huán)境，C語(yǔ)言為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，首先完成了系統(tǒng)的移植，接著完成了RTL8019AS軟件設(shè)計(jì)與CAN控制器軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了CAN與以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換。

3.2 μc/os-Ⅱ的移植

為了使一個(gè)內(nèi)核能夠運(yùn)行在微處理器或微控制器上，我們首先需要做的便是進(jìn)行移植。完成移植的過(guò)程中我們修改了3個(gè)和CPU相關(guān)的文件，分別是os_cpu.h、os_cpu_a.asm和os_cpu_c.c,移植的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：

根據(jù)處理器的不同，一個(gè)移植實(shí)例需要編寫(xiě)或改寫(xiě)的代碼數(shù)量不盡相同，可能介于50~500行之間。

3.3 RTL8019AS軟件設(shè)計(jì)

RTL8019AS的工作模式有查詢和中斷兩種模式，本設(shè)計(jì)中考慮到實(shí)時(shí)性、多任務(wù)，以最大限度的利用CPU與μc/os-Ⅱ系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度為目的，采用了中斷的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)RTL8019AS的收發(fā)功能。

當(dāng)所謂的中斷過(guò)程既在中斷服務(wù)子程序(ISR)的入口處，程序的走向由讀取到的ISR的值來(lái)確定。如果收到一個(gè)新的幀，則首先清除接收中斷標(biāo)志，接著讀取幀數(shù)據(jù)，等待接收緩沖區(qū)空;如果沒(méi)有收到新的幀，則判斷幀是否發(fā)送完畢，若一幀已發(fā)送完則清除發(fā)送中斷標(biāo)志并讀取狀態(tài)寄存器，并進(jìn)一步判斷發(fā)送隊(duì)列是否還有未發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，如果有則繼續(xù)發(fā)送。如果全部數(shù)據(jù)發(fā)送完，則從中斷子程序返回。主程序流程圖如圖1所示。

3.4 CAN控制器軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中使用的處理器LPC2294內(nèi)部集成了4個(gè)獨(dú)立的CAN模塊，并且為所有的CAN控制器提供了全局的可以接受標(biāo)識(shí)符查詢的功能。設(shè)計(jì)中只使用到CAN控制器1和CAN控制器2兩個(gè)控制器，CAN模塊的存儲(chǔ)器在處理器中的地址映射如下：

AF RAM(2KB)：E0038000~E00387FF;

AF RAM寄存器：E003C000~E003C017;

中央CAN寄存器：E0040000~E004000B;

CAN控制器1寄存器：E0044000~E004405F;

CAN控制器2寄存器：E0048000~E004805F;

CAN的驅(qū)動(dòng)程序主要包括四個(gè)部分：CAN的初始化、CAN的數(shù)據(jù)接收、CAN的數(shù)據(jù)發(fā)送和異常處理。

另外，由于CAN通信中沒(méi)有物理地址，只是采用軟件ID辨識(shí)的方式來(lái)對(duì)總線上的信息進(jìn)行過(guò)濾的，并且ID還決定當(dāng)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)需要同時(shí)傳送數(shù)據(jù)時(shí)的優(yōu)先級(jí)，故對(duì)ID設(shè)置要格外注意。

3.5 CAN與以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換

由于以太網(wǎng)和CAN是兩個(gè)不同的通信系統(tǒng)，當(dāng)連接在CAN總線上的設(shè)備向以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)必須通過(guò)CAN接口電路發(fā)送到主系統(tǒng)上，通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序，提取要傳送的數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)添加TCP和IP協(xié)議所需要的幀信息。

在本設(shè)計(jì)中用到的μc/os-Ⅱ操作系統(tǒng)下，應(yīng)用層功能是以5個(gè)主要的任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，按優(yōu)先級(jí)從高到低依次為：CAN總線接收數(shù)據(jù)包;CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)包;TCP/UDP協(xié)議數(shù)據(jù)包接收;TCP/UDP協(xié)議數(shù)據(jù)包發(fā)送;主系統(tǒng)協(xié)議轉(zhuǎn)換。

4.系統(tǒng)測(cè)試

接通電源，程序正常啟動(dòng)后，數(shù)據(jù)記錄儀開(kāi)始工作。連通后的ip地址為192.168.

1.102,物理地址為00-26-18-20-d9-f0,通過(guò)ping命令測(cè)試，證明數(shù)據(jù)包收發(fā)成功，設(shè)備聯(lián)通正常。

程序運(yùn)行后，依次完成獲取數(shù)據(jù)容量、讀取時(shí)間、設(shè)定時(shí)間、清空記錄儀、獲取壞塊、初始化記錄儀，接著數(shù)據(jù)記錄儀開(kāi)始工作，程序運(yùn)行結(jié)果如圖2所示。

5.結(jié)束語(yǔ)

測(cè)試證明：系統(tǒng)完成了CAN和以太網(wǎng)互聯(lián)的功能，具有較高的可靠性和易用性。記錄儀具備了在以太網(wǎng)高速數(shù)據(jù)傳輸下記錄、儲(chǔ)存、分析總線數(shù)據(jù)的能力，使設(shè)備在調(diào)試階段、實(shí)際運(yùn)行工作階段以及日常維護(hù)階段具備了完善的電子數(shù)據(jù)診斷和故障定位能力。