基于DSP的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控裝置及通信軟件設(shè)計(jì)

1  引言

 隨著工業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，工業(yè)控制系統(tǒng)的信息集成程度也越來(lái)越高?；诰W(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)為信息的集成提供了有效技術(shù)保證。現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是應(yīng)用在制造或過(guò)程區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線(xiàn)，也被稱(chēng)為開(kāi)放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。以現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)為核心的工業(yè)控制系統(tǒng)，稱(chēng)為現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)。本文主要設(shè)計(jì)了 CAN 總線(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)中的 DSP 下位機(jī)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控裝置及通信軟件。

2  測(cè)控節(jié)點(diǎn)的總體設(shè)計(jì)

 本文所討論的測(cè)控系統(tǒng)是以 CAN 總線(xiàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合 PC 機(jī)和 DSP 測(cè)控節(jié)點(diǎn)來(lái)完成數(shù)據(jù) 的采集工作的。因此 CAN 總線(xiàn)上的測(cè)控節(jié)點(diǎn)具有很重要的作用。節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1。

圖 1  節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，可以采用單獨(dú)的微控制器、CAN 控制器和 CAN 收發(fā)器組合而成，也可以將微控制器和 CAN 控制器集成在一起的帶有在片 CAN 的微控制器。節(jié)點(diǎn)控制器的選擇有兩種方案，一種是選擇 MCS196 等單片機(jī)，但是必須在外部擴(kuò)充高精度的 A/D 轉(zhuǎn)換器、CAN 通信模塊、定時(shí)器等模塊，處理數(shù)據(jù)能力較低。而另一種方案采用具有在片 CAN 的微處理 器，如 PHILIPS 的 81C90/91、TMS320LF2407 處理器等。因?yàn)?TMS320LF2407 具有較高的 運(yùn)行速度和數(shù)據(jù)處理能力，因此，在本系統(tǒng)中采用 TMS320LF2407 作為節(jié)點(diǎn)的微處理器。

3 CAN 總線(xiàn)接口電路及工作原理

 TMS320LF2407 與物理總線(xiàn)之間通過(guò) CAN 總線(xiàn)收發(fā)接口電路來(lái)連接。從 CAN2.0 協(xié)議 的特征可知，一條總線(xiàn)上節(jié)點(diǎn)數(shù)可以無(wú)限多，但要受到總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)能力限制，考慮這一點(diǎn)，設(shè)計(jì)中采用收發(fā)驅(qū)動(dòng)芯片方案。本文選用 Philips 公司的 CAN 總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器 82C250。CAN 總線(xiàn) 驅(qū)動(dòng)器提供了 CAN 控制器與物理總線(xiàn)之間的接口，是影響網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵因素之一。它最 初是為汽車(chē)中的高速應(yīng)用(達(dá)  1Mbps)而設(shè)計(jì)的。器件可以提供對(duì)總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送和接收能力。

圖 2  硬件接口電路圖[!--empirenews.page--]

以 TMS320LF2407 為核心芯片，PCA82C250 為驅(qū)動(dòng) CAN 控制器和物理總線(xiàn)間的接口， 對(duì)總線(xiàn)提供差動(dòng)發(fā)送能力，對(duì) CAN 控制器提供差動(dòng)接收能力。因?yàn)?TMS320LF2407 用 3.3V 的電壓，PCA82C250  用 5V  的電壓，所以需要電平轉(zhuǎn)換。圖中：R2、R3、R4  和二極管 D 組成的電路為電平轉(zhuǎn)換電路，R1 為 CAN 終端匹配電阻。接口電路如圖 2 所示。

如果考慮到提高系統(tǒng)的抗干擾能力，可以在 CAN 總線(xiàn)收發(fā)器 PCA82BC250 前增加 2 個(gè) 高速光電隔離器件  6N137  芯片，實(shí)現(xiàn)總線(xiàn)與控制器的隔離，可以保護(hù)總線(xiàn)不受瞬態(tài)沖擊的影響，并可提高節(jié)點(diǎn)的總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)能力。

4  軟件設(shè)計(jì)

圖 3 從節(jié)點(diǎn)主程序流程圖

 節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要包括四大部分：CAN  現(xiàn)場(chǎng)智能測(cè)控裝置初始化、報(bào)文查詢(xún)發(fā)送及中斷接收、用戶(hù) A/D、D/A 轉(zhuǎn)換子程序即協(xié)議實(shí)現(xiàn)程序。其主程序的實(shí)現(xiàn)流程如圖 3 所示。 本測(cè)控裝置的節(jié)點(diǎn)通信軟件采用的語(yǔ)言是 DSP 的 C 語(yǔ)言嵌入?yún)R編語(yǔ)言，因?yàn)樵谟?C 語(yǔ)言開(kāi)發(fā) DSP 應(yīng)用程序時(shí)，可能會(huì)遇到一些對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高或是需要對(duì) DSP 的底層資源進(jìn) 行操作的場(chǎng)合。這時(shí)如果用  C  語(yǔ)言編寫(xiě)相應(yīng)的代碼就會(huì)給開(kāi)發(fā)帶來(lái)一定的難度，甚至某些操作 C 語(yǔ)言根本就無(wú)法實(shí)現(xiàn)。這時(shí)，就需要在 C 語(yǔ)言中嵌入?yún)R編語(yǔ)言。

4.1  節(jié)點(diǎn)的通信初始化流程

CAN 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控裝置節(jié)點(diǎn)的初始化主要包括：系統(tǒng)初始化、CAN 初始。系統(tǒng)初始化包括 開(kāi)中斷優(yōu)先級(jí)、清中斷標(biāo)志等。CAN  初始化主要包括：局部接收屏蔽寄存器的設(shè)置、主控制寄存器的設(shè)置、郵箱方向控制寄存器的設(shè)置、波特率參數(shù)設(shè)置、郵箱標(biāo)識(shí)符的設(shè)置、郵箱的設(shè)置和中斷允許寄存器的設(shè)置等。

1、位定時(shí)器的初始化

在對(duì)位定時(shí)器(BCR1  和  BCR2)進(jìn)行初始化時(shí)，首先注意要對(duì)  CAN  模塊主控制寄存器 MCR 中的 CCR(改變配置請(qǐng)求位)置 1，并對(duì)全局狀態(tài)寄存器 GSR 中的 CCE(改變配置始能 位)置 1，方可進(jìn)行下面的初始化。因?yàn)榇藭r(shí) CAN 控制器處于脫離 CAN 總線(xiàn)狀態(tài)，因此當(dāng) 配置完位定時(shí)器后，將 CCR 位清零，使 CAN 控制器恢復(fù)總線(xiàn)。CAN 控制器波特率的計(jì)算 方法如下：

波特率=ICLK/ [(BRP+l)+Bit Time]

其中：TCLK 為 CAN 控制器的時(shí)鐘頻率，也就是 DSP 的系統(tǒng)頻率。BRP 為波特率預(yù)分頻位，決定CAN 控制器的時(shí)間片(TQ)。TQ= (BPR+1)/ ICLK

位時(shí)間(Bit Time)=(TSEGl+1)+(TSEG2+1) +1

TSEG1 為時(shí)間段1，可編程為 3 到 16 個(gè) TQ 時(shí)間片。TSEG2 為時(shí)間片 2，可編程為 2

到 8 個(gè) TQ 時(shí)間片，但必須滿(mǎn)足小于或等于時(shí)間段 1。

2、CAN 初始化。對(duì) CAN 控制器的訪(fǎng)問(wèn)是以外部存儲(chǔ)器的方式。

4.2 CAN 信息的發(fā)送與接收

本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的傳輸速率設(shè)置為 1Mbps，將郵箱 0、2 配置為接收郵箱，其中郵箱 2 為 命令信息專(zhuān)用郵箱，用于接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的控制命令。郵箱 0 用來(lái)接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的節(jié)點(diǎn)參 數(shù)，節(jié)點(diǎn)可根據(jù)這些參數(shù)來(lái)重新配置節(jié)點(diǎn)的信息。將郵箱 3 配置為發(fā)送郵箱，這個(gè)郵箱用于 節(jié)點(diǎn)給上位機(jī)發(fā)送信息。

4.2.1 CAN 發(fā)送程序[!--empirenews.page--]

數(shù)據(jù)從 CAN 控制器發(fā)送到 CAN 總線(xiàn)是由控制器自動(dòng)完成的，所以 DSP 在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí) 只需把要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀發(fā)送到 CAN 的發(fā)送區(qū)(郵箱 3)，然后將發(fā)送控制寄存器中的相應(yīng)位置1 即可啟動(dòng)發(fā)送命令，當(dāng) CAN 控制器將數(shù)據(jù)成功發(fā)送后會(huì)將發(fā)送控制寄存器中的發(fā)送成功 標(biāo)志位置 1，通過(guò)判斷這一位是否為 1，用戶(hù)即可知數(shù)據(jù)是否發(fā)送。如果發(fā)送的數(shù)據(jù)非常大，可以用郵箱 4 或 5，郵箱輪流發(fā)送，一個(gè)郵箱發(fā)送完成即啟動(dòng)另一個(gè)郵箱。由于 DSP 的在片 ADC 模塊是 10 位的，即采集到的數(shù)據(jù)為 10 位，而郵箱為 16 位，為此我們?cè)诎l(fā)送數(shù)據(jù) 時(shí)，將采樣的結(jié)果通過(guò)移位后將多個(gè)采樣結(jié)果合在一起發(fā)送，可減少所發(fā)送的幀。

4.2.2 CAN 接收程序

本系統(tǒng)中幀的接收以中斷方式。CAN  控制器在接收信息時(shí)，先將要接收的信息的標(biāo)識(shí)符與相應(yīng)的接收郵箱的標(biāo)識(shí)符進(jìn)行比較，只有標(biāo)識(shí)符相同的信息才能被接收。CAN  控制器 的接收濾波器使接收郵箱可以忽略更多的位來(lái)接收信息，即如果只有被屏蔽的那幾位標(biāo)識(shí)符 不相符，則接收郵箱仍可接收此信息。當(dāng)接收屏蔽使能位為 0 時(shí)，則局部接收屏蔽寄存器不 起作用。CAN 的接收流程圖如圖 4 所示。

圖 4 CAN 接收流程圖

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控裝置的中斷服務(wù)程序，包括接收數(shù)據(jù)中斷并保存接收到的數(shù)據(jù)，同時(shí)處理相應(yīng) 的錯(cuò)誤中斷。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)(PC 機(jī))向從節(jié)點(diǎn)(現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控裝置)發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)命令時(shí)，從節(jié)點(diǎn)即產(chǎn)生接收數(shù)據(jù)中斷。進(jìn)入中斷服務(wù)程序后首先保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，然后 CPU 讀出接收緩沖區(qū)的內(nèi)容，最后恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)、中斷返回后調(diào)協(xié)議分析程序。

4.2.3  協(xié)議實(shí)現(xiàn)程序

中斷服務(wù)程序結(jié)束后，讀出節(jié)點(diǎn)  ID，并讀出命令內(nèi)容，進(jìn)行任務(wù)分析，根據(jù)任務(wù)分析 的結(jié)果確定數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)，并向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。其協(xié)議實(shí)現(xiàn)程序框圖如圖 5 所示。

圖 5  節(jié)點(diǎn)協(xié)議實(shí)現(xiàn)框圖

4.2.4  用戶(hù)子程序設(shè)計(jì)

對(duì)從節(jié)點(diǎn)子程序的設(shè)計(jì)，主程序通過(guò)調(diào)用子程序即可完成，這樣減少了程序重復(fù)編寫(xiě)。 子程序的模數(shù)轉(zhuǎn)換是利用 TMS320LF2407 內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，避免了芯片的外擴(kuò)的工作。A/D 轉(zhuǎn)換是采用定時(shí)中斷的方式，這里用定時(shí)器 3。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：

本文從軟硬件方面詳細(xì)描述了基于 DSP 現(xiàn)場(chǎng)硬件智能測(cè)控裝置及通訊軟件的設(shè)計(jì)。其中從節(jié)點(diǎn)通訊軟件主要包括：CAN 現(xiàn)場(chǎng)智能測(cè)控裝置初始化，報(bào)文發(fā)送及中斷接收。