1 引言
隨著工業(yè)規(guī)模的擴大，工業(yè)控制系統(tǒng)的信息集成程度也越來越高?；诰W絡的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)為信息的集成提供了有效技術保證?，F(xiàn)場總線是應用在制造或過程區(qū)域現(xiàn)場裝置與控制室內自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網絡。以現(xiàn)場總線為核心的工業(yè)控制系統(tǒng)，稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。本文主要設計了 CAN 總線測控系統(tǒng)中的 DSP 下位機現(xiàn)場測控裝置及通信軟件。
2 測控節(jié)點的總體設計
本文所討論的測控系統(tǒng)是以 CAN 總線為基礎，結合 PC 機和 DSP 測控節(jié)點來完成數(shù)據(jù) 的采集工作的。因此 CAN 總線上的測控節(jié)點具有很重要的作用。節(jié)點結構框圖如圖 1。
圖 1 節(jié)點結構框圖
網絡節(jié)點，可以采用單獨的微控制器、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)點控制器的選擇有兩種方案，一種是選擇 MCS196 等單片機，但是必須在外部擴充高精度的 A/D 轉換器、CAN 通信模塊、定時器等模塊，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。因為 TMS320LF2407 具有較高的 運行速度和數(shù)據(jù)處理能力，因此，在本系統(tǒng)中采用 TMS320LF2407 作為節(jié)點的微處理器。
3 CAN 總線接口電路及工作原理
TMS320LF2407 與物理總線之間通過 CAN 總線收發(fā)接口電路來連接。從 CAN2.0 協(xié)議 的特征可知，一條總線上節(jié)點數(shù)可以無限多，但要受到總線驅動能力限制，考慮這一點，設計中采用收發(fā)驅動芯片方案。本文選用 Philips 公司的 CAN 總線驅動器 82C250。CAN 總線 驅動器提供了 CAN 控制器與物理總線之間的接口，是影響網絡性能的關鍵因素之一。它最 初是為汽車中的高速應用(達 1Mbps)而設計的。器件可以提供對總線的差動發(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 為驅動 CAN 控制器和物理總線間的接口， 對總線提供差動發(fā)送能力，對 CAN 控制器提供差動接收能力。因為 TMS320LF2407 用 3.3V 的電壓，PCA82C250 用 5V 的電壓，所以需要電平轉換。圖中：R2、R3、R4 和二極管 D 組成的電路為電平轉換電路，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 總線收發(fā)器 PCA82BC250 前增加 2 個 高速光電隔離器件 6N137 芯片，實現(xiàn)總線與控制器的隔離，可以保護總線不受瞬態(tài)沖擊的影響，并可提高節(jié)點的總線驅動能力。
4 軟件設計
圖 3 從節(jié)點主程序流程圖
節(jié)點的軟件設計主要包括四大部分：CAN 現(xiàn)場智能測控裝置初始化、報文查詢發(fā)送及中斷接收、用戶 A/D、D/A 轉換子程序即協(xié)議實現(xiàn)程序。其主程序的實現(xiàn)流程如圖 3 所示。 本測控裝置的節(jié)點通信軟件采用的語言是 DSP 的 C 語言嵌入匯編語言，因為在用 C 語言開發(fā) DSP 應用程序時，可能會遇到一些對實時性要求較高或是需要對 DSP 的底層資源進 行操作的場合。這時如果用 C 語言編寫相應的代碼就會給開發(fā)帶來一定的難度，甚至某些操作 C 語言根本就無法實現(xiàn)。這時，就需要在 C 語言中嵌入匯編語言。
4.1 節(jié)點的通信初始化流程
CAN 現(xiàn)場測控裝置節(jié)點的初始化主要包括：系統(tǒng)初始化、CAN 初始。系統(tǒng)初始化包括 開中斷優(yōu)先級、清中斷標志等。CAN 初始化主要包括：局部接收屏蔽寄存器的設置、主控制寄存器的設置、郵箱方向控制寄存器的設置、波特率參數(shù)設置、郵箱標識符的設置、郵箱的設置和中斷允許寄存器的設置等。
1、位定時器的初始化
在對位定時器(BCR1 和 BCR2)進行初始化時，首先注意要對 CAN 模塊主控制寄存器 MCR 中的 CCR(改變配置請求位)置 1，并對全局狀態(tài)寄存器 GSR 中的 CCE(改變配置始能 位)置 1，方可進行下面的初始化。因為此時 CAN 控制器處于脫離 CAN 總線狀態(tài)，因此當 配置完位定時器后，將 CCR 位清零，使 CAN 控制器恢復總線。CAN 控制器波特率的計算 方法如下：
波特率=ICLK/ [(BRP+l)+Bit Time]
其中：TCLK 為 CAN 控制器的時鐘頻率，也就是 DSP 的系統(tǒng)頻率。BRP 為波特率預分頻位，決定CAN 控制器的時間片(TQ)。TQ= (BPR+1)/ ICLK
位時間(Bit Time)=(TSEGl+1)+(TSEG2+1) +1
TSEG1 為時間段1，可編程為 3 到 16 個 TQ 時間片。TSEG2 為時間片 2，可編程為 2
到 8 個 TQ 時間片，但必須滿足小于或等于時間段 1。
2、CAN 初始化。對 CAN 控制器的訪問是以外部存儲器的方式。
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 命令信息專用郵箱，用于接收上位機發(fā)來的控制命令。郵箱 0 用來接收上位機發(fā)來的節(jié)點參 數(shù)，節(jié)點可根據(jù)這些參數(shù)來重新配置節(jié)點的信息。將郵箱 3 配置為發(fā)送郵箱，這個郵箱用于 節(jié)點給上位機發(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 總線是由控制器自動完成的，所以 DSP 在發(fā)送數(shù)據(jù)時 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位置1 即可啟動發(fā)送命令，當 CAN 控制器將數(shù)據(jù)成功發(fā)送后會將發(fā)送控制寄存器中的發(fā)送成功 標志位置 1，通過判斷這一位是否為 1，用戶即可知數(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，一個郵箱發(fā)送完成即啟動另一個郵箱。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，為此我們在發(fā)送數(shù)據(jù) 時，將采樣的結果通過移位后將多個采樣結果合在一起發(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，先將要接收的信息的標識符與相應的接收郵箱的標識符進行比較，只有標識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接收信息，即如果只有被屏蔽的那幾位標識符 不相符，則接收郵箱仍可接收此信息。當接收屏蔽使能位為 0 時，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)場測控裝置的中斷服務程序，包括接收數(shù)據(jù)中斷并保存接收到的數(shù)據(jù)，同時處理相應 的錯誤中斷。當主節(jié)點(PC 機)向從節(jié)點(現(xiàn)場測控裝置)發(fā)送請求數(shù)據(jù)命令時，從節(jié)點即產生接收數(shù)據(jù)中斷。進入中斷服務程序后首先保護現(xiàn)場，然后 CPU 讀出接收緩沖區(qū)的內容，最后恢復現(xiàn)場、中斷返回后調協(xié)議分析程序。
4.2.3 協(xié)議實現(xiàn)程序
中斷服務程序結束后，讀出節(jié)點 ID，并讀出命令內容，進行任務分析，根據(jù)任務分析 的結果確定數(shù)據(jù)發(fā)送任務，并向主節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。其協(xié)議實現(xiàn)程序框圖如圖 5 所示。
圖 5 節(jié)點協(xié)議實現(xiàn)框圖
4.2.4 用戶子程序設計
對從節(jié)點子程序的設計，主程序通過調用子程序即可完成，這樣減少了程序重復編寫。 子程序的模數(shù)轉換是利用 TMS320LF2407 內部的模數(shù)轉換模塊，避免了芯片的外擴的工作。A/D 轉換是采用定時中斷的方式，這里用定時器 3。
本文作者創(chuàng)新點：
本文從軟硬件方面詳細描述了基于 DSP 現(xiàn)場硬件智能測控裝置及通訊軟件的設計。其中從節(jié)點通訊軟件主要包括：CAN 現(xiàn)場智能測控裝置初始化，報文發(fā)送及中斷接收。
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