基于ARM的CAN網(wǎng)絡(luò)打印服務(wù)器設(shè)計(jì)

隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，智能儀器儀表或微機(jī)裝置等智能電子設(shè)備(IED)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。網(wǎng)絡(luò)打印服務(wù)器(network print server)可為智能電子設(shè)備提供可靠的共享打印服務(wù)，節(jié)約系統(tǒng)成本。CAN總線是一種支持分布或?qū)崟r(shí)控制的現(xiàn)場總線，具有高可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，廣泛應(yīng)用于汽車控制、工業(yè)控制、機(jī)器人、家用電器等領(lǐng)域。CAN總線已成為工業(yè)現(xiàn)場首選現(xiàn)場總線之一。設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)打印服務(wù)器采用CAN總線作為數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)打印服務(wù)器可與幾十甚至上百個智能電子設(shè)備構(gòu)成總線型網(wǎng)絡(luò)，采用屏蔽雙絞線作為通訊介質(zhì)減少節(jié)點(diǎn)干擾。通訊速率在10 Kb／s～1 Mb／s范圍內(nèi)可選。CAN網(wǎng)絡(luò)打印系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)打印服務(wù)器的核心處理器采用PHILIPS公司的LPC2129。LPC2129是一款支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI-S CPU“微控制器”，帶有256 KB的嵌入式高速Flash存儲器，16 KB支持8／16／32位訪問的靜態(tài)RAM，128位寬度的存儲器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)，可使32位代碼在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。而對代碼有嚴(yán)格控制要求的應(yīng)用則可使用16位Thumb模式。LPC2129采用64引腳封裝，低功耗，內(nèi)帶有46個GPIO，2個32位定時(shí)器，2路CAN控制器，多路串行接口，9路外部中斷。選取該處理器主要考慮其內(nèi)部資源豐富，無需擴(kuò)展存儲器、CAN控制器，且性能優(yōu)異，抗干擾能力強(qiáng)；價(jià)格低廉，具有極高的性價(jià)比。

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。調(diào)試接口直接與LPC2129連接，用于調(diào)試開發(fā)；由MAX232-EPE等器件構(gòu)成的串口電路用于程序下載；看門狗負(fù)責(zé)監(jiān)控程序是否出現(xiàn)異常或跑飛，若出現(xiàn)故障時(shí)，看門狗使整個系統(tǒng)復(fù)位；而電源電路由SP220-15D5D和DUP75-05S05等器件構(gòu)成，為網(wǎng)絡(luò)打印服務(wù)器提供工作電源。

網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)服務(wù)器的核心電路是CAN及打印機(jī)接口電路，如圖3所示。打印機(jī)接口電路部分由光耦PS2701和電容電阻等元件構(gòu)成，LPC2129的P0和P1端口引腳經(jīng)該接口電路與針式打印機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)打印功能；CAN總線接口電路由6N137和PCA82-C250等器件構(gòu)成，LPC2129內(nèi)部CAN控制器完成CAN協(xié)議處理，PCA82-C250可提高節(jié)點(diǎn)的驅(qū)動能力。為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，LPC2129的CNTX和CNRX不能直接與PCA82C250的TXD和RXD相連，應(yīng)經(jīng)高速光耦6N137后再與PCA82C250相連，從而實(shí)現(xiàn)總線上各CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。高速光耦電路中的電源VCC和VDD必須完全隔離，采用隔離型電源模塊DUP75-05S05實(shí)現(xiàn)隔離。PCA82C250與CAN總線的接口部分也采取了抗干擾措施，CANH和CANL與地之間分別并聯(lián)一只1 000 pF／2 kV的電容，用于濾除總線上的高頻干擾，并具有一定的抗電磁輻射性能。另外，在CAN總線接人端與地之間連接一個瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS)，保護(hù)PCA82C250免受ESD和EMI浪涌脈沖。通訊信號傳輸?shù)綄?dǎo)線的端點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生反射，并干擾正常信號傳輸，在PCA82C250的兩根輸出數(shù)據(jù)線之間接一120 Ω的終端電阻可抑制反射信號。若忽略該終端電阻，則大大降低通訊的抗干擾性和可靠性，甚至導(dǎo)致無法通訊。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)打印服務(wù)器與各個智能電子設(shè)備之間采用主從方式，通過查詢完成工作。軟件主要由網(wǎng)絡(luò)打印服務(wù)主程序、CAN驅(qū)動程序、打印接口驅(qū)動程序、定時(shí)器中斷程序以及LPC2129啟動程序組成。

LPC2129啟動程序采用匯編語言編寫，主要包括異常中斷向量表、堆棧初始化、目標(biāo)板初始化、存儲系統(tǒng)初始化等。定時(shí)器中斷程序是定時(shí)器0的中斷處理程序，用于完成各種定時(shí)或延時(shí)功能，為打印和CAN通訊提供必要支持。打印接口驅(qū)動程序包括打印初始化和發(fā)送打印數(shù)據(jù)。打印初始化程序用于設(shè)置ARM的P0和P1端口部分引腳的工作方式，初始化打印機(jī)。發(fā)送打印數(shù)據(jù)程序首先檢測打印機(jī)是否忙，若打印機(jī)忙則等待，若空閑則發(fā)送要打印的數(shù)據(jù)。然后選通打印機(jī)，最后回收打印機(jī)，即不選通并將數(shù)據(jù)寄存器置位。

CAN驅(qū)動程序主要包括初始化CAN控制器、發(fā)送報(bào)文和接收報(bào)文。初始化CAN控制器主要包括設(shè)置相應(yīng)引腳功能、工作方式、波特率參數(shù)以及出錯警告界限等。

LPC2129中有全局驗(yàn)收濾波器，該模塊可為CAN控制器提供接收標(biāo)識符的查詢功能(驗(yàn)收濾波)。另外，驗(yàn)收濾波器為選擇的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識符提供了FulICAN-style自動接收功能。在初始化CAN控制器中將驗(yàn)收濾波器設(shè)置為旁路，也可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置，讓其參與接收濾波的工作，有助于改善節(jié)點(diǎn)接收信息的選擇性。完成初始化CAN控制器后，即可發(fā)送和接收報(bào)文信息。

發(fā)送報(bào)文驅(qū)動程序主要實(shí)現(xiàn)報(bào)文發(fā)送，發(fā)送報(bào)文流程如圖4所示。發(fā)送報(bào)文時(shí)。將待發(fā)送的數(shù)據(jù)打包成符合CAN發(fā)送幀格式的數(shù)據(jù)送人CAN控制器的發(fā)送緩存區(qū)。在向發(fā)送緩沖區(qū)送報(bào)文之前，必須判斷發(fā)送緩沖區(qū)是否空閑。若發(fā)送緩沖區(qū)繁忙則返回失??；若空閑則將數(shù)據(jù)寫人發(fā)送緩沖區(qū)，寫入完成后再判斷寫入是否成功，寫入成功后啟動發(fā)送命令，發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，然后返回狀態(tài)標(biāo)志。

接收驅(qū)動程序主要完成報(bào)文接收以及其CAN異常情況處理。CAN發(fā)送報(bào)文流程如圖5所示。接收報(bào)文驅(qū)動程序相對復(fù)雜些，因?yàn)樵谔幚斫邮請?bào)文的過程中，同時(shí)也要處理總線關(guān)閉、錯誤報(bào)警、接收溢出等情況。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采片j中斷接收方式獲得較高的實(shí)時(shí)性，從而提高網(wǎng)絡(luò)打印服務(wù)器性能。初始化CAN控制器必須使能接收中斷。中斷服務(wù)子程序讀取CANICR控制器，判斷是否為接收中斷標(biāo)志，若是則讀取接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)；若是CAN異常情況，則進(jìn)行相應(yīng)處理。

在LPC2129啟動程序后執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)打印服務(wù)主程序，如圖6所示。首先初始化，包括初始化看門狗、打印機(jī)、CAN控制器、定時(shí)器0及使能中斷等；再與智能電子設(shè)備握手連接，然后打印首次握手成功的IED基本信息；最后執(zhí)行無限循環(huán)程序代碼。在這段程序中判斷是否有定時(shí)器超時(shí)。若查詢IED定時(shí)超時(shí)，則查詢各個IED是否要打印，若無打印需求則進(jìn)入下一循環(huán)狀態(tài)；若有打印需求則申請數(shù)據(jù)信息完成打印。如果重新握手定時(shí)超時(shí)，則與IED設(shè)備重新握手連接，檢測中途接人的智能電子設(shè)備可以滿足系統(tǒng)需求，重新握手完成后執(zhí)行無限循環(huán)程序。

在ADS1.2環(huán)境及EasyJTAG仿真器中進(jìn)行軟件調(diào)試。程序代碼在ADS1.2環(huán)境下編譯、連接后生成可執(zhí)行文件，通過EasyJTAG仿真器仿真調(diào)試，最后寫入Flash存儲器中。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試使用，基于CAN總線的網(wǎng)絡(luò)打印服務(wù)器能夠可靠地完成網(wǎng)絡(luò)打印功能。

4 結(jié)束語

CAN總線是一種高抗干擾性、高性價(jià)比的現(xiàn)場總線技術(shù)。該網(wǎng)絡(luò)打印服務(wù)器設(shè)計(jì)采用CAN總線作為數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)既可抵抗工業(yè)現(xiàn)場強(qiáng)電磁干擾，又可滿足工業(yè)現(xiàn)場需求，降低系統(tǒng)成本。該網(wǎng)絡(luò)打印服務(wù)器與發(fā)電廠測控裝置、保護(hù)裝置等智能電子設(shè)備組成總線型CAN網(wǎng)絡(luò)，完成各項(xiàng)打印工作，經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證，工作穩(wěn)定可靠。