基于DSP 技術(shù)和CAN總線的多節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

　1 　引言

　　控制局域網(wǎng)CAN屬于現(xiàn)場(chǎng)總線范圍，是德國(guó)Bosch 公司從20 世紀(jì)80 年代初為解決現(xiàn)代汽車(chē)中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維，通信速度可達(dá)1 M bit/ s. CAN 協(xié)議的最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)碼可由11 位或29 位二進(jìn)制數(shù)組成，因此可以定義211或229個(gè)不同的數(shù)據(jù)塊，這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。

　　2 　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　在很多野外或測(cè)量環(huán)境比較差的地方，需要采用體積小，數(shù)據(jù)處理性能高，并且遠(yuǎn)程傳輸穩(wěn)定的數(shù)據(jù)處理傳輸系統(tǒng)。針對(duì)這種要求，設(shè)計(jì)了多節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)。在遠(yuǎn)端將要檢測(cè)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集送到DSP進(jìn)行處理，通過(guò)DSP的CAN控制接口，將各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺AN 總線上，然后用DSP 的串行通信口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和控制操作。

　　系統(tǒng)采用了DSP 作為微處理器，充分利用DSP 器件的體積小，功耗低，數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn);同時(shí)采用CAN 總線來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（只有2 根線與外部連接） ，傳輸穩(wěn)定性高而且傳輸距離遠(yuǎn)，尤其是可對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行獨(dú)立編碼，加大了數(shù)據(jù)接收的靈活性，擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)。系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集處理同時(shí)，可以方便地與當(dāng)?shù)豍C 利用DSP 的SCI串行口進(jìn)行通信。基于以上優(yōu)點(diǎn)的方案設(shè)計(jì)解決了在很多工作環(huán)境惡劣，檢測(cè)點(diǎn)較多的場(chǎng)合下的數(shù)據(jù)處理傳輸問(wèn)題。

　　美國(guó)德州儀器（TI） 公司的DSP24xx 系列是TI 公司推出的低價(jià)格高性能的16 位定點(diǎn)DSP 芯片，是專(zhuān)為數(shù)字電機(jī)控制和其他控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的芯片。選用了TMS320LF2407 芯片作為數(shù)據(jù)處理芯片，與上位PC 機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。TMS320LF2407 自帶CAN控制器（符合CAN 總線210 協(xié)議） ，且可以通過(guò)設(shè)置內(nèi)部寄存器的自測(cè)試位來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN 控制器的自發(fā)自收功能，為調(diào)試CAN 通訊的下位機(jī)提供了方便?；谛酒拇斯δ苣K，硬件設(shè)計(jì)只要通過(guò)CAN 驅(qū)動(dòng)器（電平轉(zhuǎn)換） 接到CAN 總線上，就可以與其他CAN 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊。DSP與上位機(jī)通信部分可以通過(guò)SCI 異步串行通信口來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　圖1 　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　3 　硬件設(shè)計(jì)

　　采用的DSP 芯片自帶了CAN 控制器模塊和SCI 串行通信口，但是在系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的連接和與PC 機(jī)通信上存在電平驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。

　　CAN 驅(qū)動(dòng)芯片采用TI 公司的UC5350 驅(qū)動(dòng)芯片。UC5350控制器區(qū)域網(wǎng)轉(zhuǎn)換器專(zhuān)為采用CAN 通信的工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，具有最高可達(dá)1 M bit/ s 的高速收發(fā)特性，并且至少可以連接110 個(gè)節(jié)點(diǎn)。圖2 為UC5350 與TMSLF2407 芯片的硬件連接圖。

　　需要注意的是，在CAN 傳輸網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)終端CAN 節(jié)點(diǎn)上，節(jié)點(diǎn)的CANH和CANL 兩根信號(hào)線之間一定要跨接1個(gè)120 Ω的電阻R2 ，這是為了消除傳輸中的回流干擾問(wèn)題。

　　圖2 　CAN 驅(qū)動(dòng)硬件圖

　　DSP 與上位機(jī)的通信部分，采用TMS320LF2407 的SCI 異步串口來(lái)完成。由于TMS320LF2407 的串行口輸入輸出均為T(mén)TL電平，而IBM- PC 機(jī)的串行口是按RS - 232 - C 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，必須經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換才能實(shí)現(xiàn)兩者之間的通信。設(shè)計(jì)中采用了符合RS - 232 標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)芯片MAX232 進(jìn)行電平之間的轉(zhuǎn)換。圖3 為DSP 與PC 串口之間的接口硬件圖。

　　圖3 　RS232 串口驅(qū)動(dòng)硬件圖

　　4 　軟件設(shè)計(jì)

　　4. 1 　CAN模塊間通信程序的設(shè)計(jì)

　　TMS320LF2407 的CAN 模塊是1個(gè)16位的外設(shè)， 支持CAN2.0B 協(xié)議。CAN 模塊有6 個(gè)郵箱（MBOX0～MBOX5） ，其中2 個(gè)接收郵箱（MBOX0 ， MBOX1） ， 2 個(gè)發(fā)送郵箱（MBOX4 ，MBOX5） 和2 個(gè)可配置為接收或發(fā)送郵箱（MBOX2 ，MBOX3） ;有用于0 ，1 ，2 和3 號(hào)郵箱的本地屏蔽寄存器和15 個(gè)控制/ 狀態(tài)寄存器。對(duì)它的訪問(wèn)分成控制/ 狀態(tài)寄存器的訪問(wèn)和郵箱的RAM訪問(wèn)。這些郵箱位于1個(gè)48 ×16位的RAM中，可被CPU或CAN 讀寫(xiě)。

　　由于系統(tǒng)是1 個(gè)多節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)，因此對(duì)各節(jié)點(diǎn)CAN模塊正確的初始化就顯得十分重要。初始化必須設(shè)置各節(jié)點(diǎn)中CAN模塊的通信波特率和同步跳轉(zhuǎn)寬度一致，且配置好節(jié)點(diǎn)模塊中的接收碼和屏蔽碼。再按照發(fā)送數(shù)據(jù)幀格式來(lái)配置郵箱ID 和信息控制寄存器。

　　4. 1. 1 　初始化位定時(shí)器

　　CAN 通信中的波特率設(shè)定與系統(tǒng)控制狀態(tài)寄存器SCSR1、CAN 模塊中定時(shí)器BCR1 和BCR2 有關(guān)（其中BCR1 和BCR2 決定了CAN 控制器的通信波特率、同步跳轉(zhuǎn)寬度、采樣次數(shù)和重同步方式） 。在對(duì)位定時(shí)器進(jìn)行初始化時(shí)，注意要先設(shè)置CAN模塊主控制寄存器MCR 中的改變配置請(qǐng)求位為1 ，即CCR = 1 ，并判斷全局狀態(tài)寄存器GSR 中的改變配置使能位CCE 是否為1 ，如為1 則可進(jìn)行下面的初始化工作。而在完成對(duì)位定時(shí)器的初始化后需將CCR 位清零以進(jìn)入正常工作模式; 在配置BCR1 和BCR2 時(shí)要按照如下公式對(duì)CAN 控制器波特率進(jìn)行設(shè)定：

　　波特率= ICLK/ ［ （ BRP + 1） + BitTime ］

　　式中： ICLK為CAN 控制器的時(shí)鐘頻率，即在SCSR1 中充定的DSP 的系統(tǒng)頻率; BRP 為波特率預(yù)分頻位，決定著CAN 控制器的時(shí)間片TQ ， TQ = （ BRP + 1） / ICLK; BitTime = （ TSEG1 + 1） +（ TESG2 + 1） + 1 ， TSEG1 為時(shí)間段1 ，可編程為3～16個(gè)TQ時(shí)間片。TSEG2 為時(shí)間段2 ，必須小于或等于時(shí)間段1。

　　4. 1. 2 　初始化郵箱

　　對(duì)郵箱初始化即是對(duì)郵箱中的有關(guān)寄存器進(jìn)行初始化，主要用來(lái)設(shè)置郵箱接收或發(fā)送報(bào)文的標(biāo)識(shí)符，發(fā)送的是遠(yuǎn)程幀還是數(shù)據(jù)幀，并對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)區(qū)賦初值。步驟為：禁止郵箱工作，即向郵箱方向/ 使能控制寄存器MDER 中的郵箱使能位MEn（ n = 0～5） 寫(xiě)0 ;設(shè)置MCR 寄存器中數(shù)據(jù)域改變請(qǐng)求位為1 ;配置郵箱的內(nèi)容;返回正常模式;使能郵箱。[!--empirenews.page--]

　　4. 1. 3 　郵箱信息的接收和發(fā)送

　　在做完以上初始化工作后， 就可以轉(zhuǎn)入郵箱的收發(fā)程序。為了大量的數(shù)據(jù)能在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上連續(xù)傳輸， 在內(nèi)存設(shè)置了2個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（讀和寫(xiě)2 個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)） ， 分別用來(lái)存放要發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)。用郵箱發(fā)送時(shí)， 將準(zhǔn)備發(fā)送的數(shù)據(jù)從寫(xiě)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)寫(xiě)到發(fā)送郵箱的數(shù)據(jù)區(qū)， 然后使能發(fā)送郵箱并設(shè)置TCR寄存器中發(fā)送請(qǐng)求位為1 ， 判斷發(fā)送應(yīng)答信號(hào)和發(fā)送中斷標(biāo)志位， 在成功發(fā)送之后再將發(fā)送中斷標(biāo)志位和發(fā)送應(yīng)答位清除。

　　圖4 　數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

對(duì)于一個(gè)接收事件來(lái)說(shuō)，由于每個(gè)CAN 節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)是根據(jù)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)幀的ID 與接收郵箱中初始化設(shè)定的報(bào)文的設(shè)定ID 是否相符來(lái)決定該節(jié)點(diǎn)是否接收此數(shù)據(jù)，因此在接收事件中，要設(shè)置接收郵箱報(bào)文的標(biāo)識(shí)符及標(biāo)識(shí)符相關(guān)的局部屏蔽寄存器（LAM） 。然后判斷接收信息懸掛位RMPn 或接收中斷標(biāo)志位MIFn 是否置位，如果位說(shuō)明郵箱成功接收信息，將接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到讀據(jù)緩沖區(qū)，然后復(fù)位接收中斷標(biāo)志位和接收信息懸掛位。

　　圖5 　數(shù)據(jù)接收流程圖

　　4. 2 　SCI 串行通信程序設(shè)計(jì)

　　串行通信的程序分為DSP 的串行收發(fā)和PC 機(jī)的串行收發(fā)兩個(gè)。對(duì)于PC 機(jī)的串行收發(fā)采用了標(biāo)準(zhǔn)串口通訊程序。TMS320LF2407 串行通信的軟件設(shè)計(jì)可以采用查詢和中斷兩種方式，設(shè)計(jì)中采用了中斷方式接收數(shù)據(jù)，并設(shè)置軟件發(fā)送標(biāo)志位來(lái)查詢發(fā)送的方式。程序分為主程序和中斷服務(wù)程序2 個(gè)部分。

　　在主程序中對(duì)SCI 異步串口進(jìn)行初始化（包括操作模式、波特率、字符長(zhǎng)度、奇偶校驗(yàn)位、停止位位數(shù)、中斷優(yōu)先級(jí)和使能控制等信息） 。主程序設(shè)置了軟件發(fā)送標(biāo)志位，并不斷查詢此位，在其置位時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。中斷服務(wù)程序中，當(dāng)需要上傳數(shù)據(jù)時(shí)，在中斷程序或其他的子程序中置發(fā)送標(biāo)志位，由主程序通過(guò)查詢?cè)摌?biāo)志位來(lái)控制發(fā)送數(shù)據(jù);對(duì)于接收數(shù)據(jù)，則在中斷服務(wù)程序中，將接收到的數(shù)據(jù)地址與相應(yīng)軟件設(shè)置的地址進(jìn)行比較，采用地址位喚醒模式實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通訊。

　　在串行通信中，時(shí)鐘和波特率的同步是十分重要的，在編程中，考慮到所用芯片的特性和實(shí)際應(yīng)用需要，采用了系統(tǒng)時(shí)鐘為20 MHz ，通訊波特率4 800 bit/ s 與RS - 232 進(jìn)行通信。根據(jù)公式： SCI 異步波特率= SYSCLK/ ［ （BRR + 1） ×8］

　　來(lái)確定波特率選擇寄存器BRR 的值。

　　值得注意的是在串行通信設(shè)置中，串行通信控制寄存器SCICTL1 的SLEEP 位（上電時(shí)為1） 設(shè)置很重要，SLEEP 位為SCI休眠位，為1 時(shí)使能休眠方式，它的正確設(shè)置可以使得通信過(guò)程正確的響應(yīng)中斷，從而轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的服務(wù)程序中。因此必須正確設(shè)置使得程序只有在檢測(cè)到地址字節(jié)時(shí)被中斷。而在中斷程序中比較地址：若相同，則軟件清除SLEEP 位，確保在收到每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)都可產(chǎn)生中斷;若不相同，則保持SLEEP 為1 以接收下一個(gè)地址。由于系統(tǒng)為多節(jié)點(diǎn)的通信，因此采用了地址位喚醒模式來(lái)正確控制各節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)收發(fā)。在調(diào)試程序中為每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置了2 個(gè)標(biāo)識(shí)地址（如00H 和FFH） ，當(dāng)收到00H時(shí)，DSP 發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)收到FFH 時(shí)，DSP 接收數(shù)據(jù)。圖6、圖7 分別為串行主程序和中斷服務(wù)程序的流程圖。

　　圖6 串行通信主程序流程圖

　　圖7 中斷服務(wù)程序的流程圖

　　5 　結(jié)束語(yǔ)

　　系統(tǒng)解決了野外作業(yè)時(shí)要求高穩(wěn)定性的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，可以在環(huán)境惡劣的情況下，多點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù) 據(jù)及時(shí)處理傳輸?shù)竭h(yuǎn)端上位機(jī)進(jìn)行分析控制。在實(shí)際的測(cè)試中，用此系統(tǒng)很好地完成了數(shù)據(jù)的采集傳輸工作，由此得出此系統(tǒng)可以穩(wěn)定的進(jìn)行工作。