基于嵌入式MPU和CAN總線的測控系統(tǒng)設計

1 緒論
隨著網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，Internet把世界上分散的計算機系統(tǒng)、通信系統(tǒng)實現(xiàn)了互連，形成了共用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，成功的實現(xiàn)了網(wǎng)絡資源共享。而CAN總線技術使得控制系統(tǒng)向著分散化、網(wǎng)絡化、智能化的方向發(fā)展，使控制技術與計算機以及網(wǎng)絡技術更為緊密的結(jié)合在一起。隨著CAN總線控制網(wǎng)絡的進一步發(fā)展，控制網(wǎng)絡與因特信息網(wǎng)絡的結(jié)合，方便了對設備的遠程監(jiān)控、診斷和維護。
2 系統(tǒng)模型概述
本設計采用在CAN總線控制網(wǎng)絡和因特網(wǎng)之間加入一個轉(zhuǎn)換接口。這種方式是通過硬件來實現(xiàn)的，即在底層網(wǎng)絡與中間監(jiān)控層之間加入中繼器、網(wǎng)橋、路由器等專門的硬件設備，使控制網(wǎng)絡作為信息網(wǎng)絡的擴展與之緊密集成。硬件設備可以是一臺專門的計算機，依靠其中運行的軟件完成數(shù)據(jù)包的識別、解釋和轉(zhuǎn)換；對于多個網(wǎng)段的應用，它還可以在不同網(wǎng)段之間存儲轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，起到網(wǎng)橋的作用。
轉(zhuǎn)換接口的集成方式功能較強，但實時性較差。信息網(wǎng)絡一般是采用TCP/IP的因特網(wǎng)，而TCP/IP沒有考慮數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，當CAN設備有大量信息上傳或遠程監(jiān)控操作頻繁時，轉(zhuǎn)換接口都將成為實時通信的瓶頸。但是隨著因特網(wǎng)技術進一步發(fā)展，這個瓶頸問題將逐步得到解決。
3測控系統(tǒng)工作原理及組成
本系統(tǒng)采用C8051F060單片機作為控制網(wǎng)絡層的核心控制器，采用三星公司的S3C2410嵌入式微處理器設計信息網(wǎng)絡，將工業(yè)現(xiàn)場設備和遠程服務器、工作站連為一體，構(gòu)建了體積輕巧、功能強大、方便靈活的企業(yè)網(wǎng)絡。
3.1系統(tǒng)方案
本系統(tǒng)由信息網(wǎng)絡層和控制網(wǎng)絡層兩部分組成。信息網(wǎng)絡層是基于S3C2410的ARM系統(tǒng)，運行著TCP/IP協(xié)議和現(xiàn)場總線CAN協(xié)議；控制網(wǎng)絡層是基于C8051F060的控制網(wǎng)絡測控系統(tǒng)，它直接與工業(yè)測控設備聯(lián)系，負責測量、調(diào)節(jié)現(xiàn)場參數(shù)，將測量結(jié)果通過CAN送給ARM，或是接收ARM下傳的數(shù)據(jù)調(diào)控現(xiàn)場設備。論文對CAN總線控制網(wǎng)絡和因特網(wǎng)進行了深入研究，提出在提高信息網(wǎng)絡協(xié)議標準的實時性和兼容性的基礎上，從底層設備到遠程監(jiān)控系統(tǒng)都使用統(tǒng)一的協(xié)議標準的設計方案，以確保信息準確、快速、完整傳輸。本方案的優(yōu)點是價格低廉、功能強大、方便靈活。整個系統(tǒng)的示意圖如1所示。

3.2信息網(wǎng)絡部分
信息網(wǎng)絡要對控制系統(tǒng)的底層控制參數(shù)進行決策，因此信息網(wǎng)絡在控制系統(tǒng)中扮演著重要的角色。一方面它要和遠程PC通信，另一方面它還要和控制網(wǎng)絡層的單片機通信，起著連接PC和工業(yè)現(xiàn)場智能設備的橋梁作用。

信息網(wǎng)絡層采用的S3C2410，是韓國三星電子公司最近推出的一款基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式微處理器。該處理器主要面向手持式設備以及高性價比、低功耗的應用。S3C2410內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復雜，提供可擴展的功能模塊也較多，如圖2所示。
3.3控制網(wǎng)絡部分
網(wǎng)絡測控系統(tǒng)擴展CAN總線模塊，要擔負至少兩個方面的任務：一是支持現(xiàn)場操作，包括數(shù)據(jù)采集、人-機對話等；二是與上級節(jié)點進行數(shù)據(jù)交互，作為網(wǎng)絡測控系統(tǒng)的底層設備，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

 
[!--empirenews.page--]基于CAN總線的分布式測控卡主要由單片機C8051F060、輸入/輸出電路、電源電路、人-機接口和通信接口（包括RS-232和CAN總線接口）幾部分組成。測控卡的工作原理如下：C8051F060單片機是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU，是數(shù)據(jù)采集與實施控制的理想微型控制器。它集成了兩個16位、1Msps的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，且?guī)в蠨MA控制器；集成有兩個12位數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式；集成有控制器局域網(wǎng)（CAN2.0B）控制器，具有32個消息對象，每個消息對象有自己的標識掩碼。工業(yè)現(xiàn)場設備的狀態(tài)參數(shù)通過I/V轉(zhuǎn)換成電壓信號，C8051F060單片機采集此信號后，通過CAN總線發(fā)送給上級網(wǎng)絡節(jié)點，同時上級網(wǎng)絡節(jié)點下傳的命令和參數(shù)經(jīng)DAC和V/I轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成0~20mA的電流信號，控制現(xiàn)場設備。人-機界面提供系統(tǒng)狀態(tài)與操作人員的友好交流平臺，且備用了一路RS-232異步串行通信總線。
4 信息網(wǎng)絡和控制網(wǎng)絡之間的通信
CAN與Internet是采用不同通信協(xié)議的兩種異構(gòu)網(wǎng)絡。首先，CAN通信基于報文，無需為每個節(jié)點設定一個獨立且唯一的地址。它采用標識符來表明報文的內(nèi)容，CAN節(jié)點接受到一個報文時，通過基于標識符的濾波機制來決定處理或拋棄該報文。而Internet上的IP數(shù)據(jù)包傳輸是面向連接的，基于節(jié)點地址來傳送，Internet上的每一個節(jié)點都必須設定一個唯一點IP地址。其次，CAN與Internet采用不同的沖突仲裁機制。CAN采用的是無破壞性仲裁機制，當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)造成媒體訪問沖突時，優(yōu)先級較高的報文不受影響地繼續(xù)發(fā)送，而優(yōu)先級較低的報文會自動停止，并等待總線空閑時再嘗試重新發(fā)送。。另外，CAN采用短幀結(jié)構(gòu)，其最大長度只有16B。而IP數(shù)據(jù)包的長度遠遠超過了CAN數(shù)據(jù)幀的長度，最長可達16KB。
4.1通信方式
實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡之間的通信，需要在不同的協(xié)議之間進行轉(zhuǎn)換，這可通過網(wǎng)關來完成。網(wǎng)關又被稱為網(wǎng)間協(xié)議轉(zhuǎn)換器，用于連接采用不同通信協(xié)議的網(wǎng)絡，實現(xiàn)網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)傳輸。當一個報文要求從一個網(wǎng)段發(fā)送到另一個網(wǎng)段時，網(wǎng)關需要完成該報文的接受、翻譯與轉(zhuǎn)發(fā)工作。要實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換，網(wǎng)關必須具備它所要連接到不同網(wǎng)絡的協(xié)議包，由于TCP/IP協(xié)議包需要較大的存儲空間，因此，大多數(shù)情況都是用PC機來充當網(wǎng)關。但在某些情況下使用PC機并不方便，需要在MCU/MPU嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)網(wǎng)關功能。一種方案使用高檔的32位、64位MCU/MPU，內(nèi)嵌了成熟的實時多任務操作系統(tǒng)，具有完整的TCP/IP協(xié)議包，能夠很好地完成與Internet的連接。這種方案具有足夠快的運行速度，采用精簡的TCP/IP協(xié)議包。嵌入式設備連接到Internet，互連實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交換或者遠程訪問和機器控制，TCP／IP協(xié)議是互連的核心技術。
4.2軟件實現(xiàn)
由于被測控的幾個量都是緩慢變化的，對測控系統(tǒng)的實時性要求不高。單片機大部分時間在進行參數(shù)測量，每次測量結(jié)束后使用查詢方式將測量結(jié)果保存到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。由于單片機的RAM容量有限（C8051F060具有4K的RAM），使用了數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，以保存一定數(shù)量的測量結(jié)果。緩沖區(qū)使用先進先出策略，在保存時先判斷緩沖區(qū)是否填滿，沒滿時緩沖指針加1，數(shù)據(jù)保存進下一個單元，填滿時使指針指向緩沖區(qū)的頂部，數(shù)據(jù)保存進緩沖區(qū)，以前的數(shù)據(jù)丟掉。本系統(tǒng)的設計重點是CAN通信，因此，在CAN通信時采用了中斷方式。整個測控系統(tǒng)部分的軟件流程圖如圖4。 

5 結(jié)束語
計算機監(jiān)控系統(tǒng)是一個集資源管理、工業(yè)控制于一體的調(diào)度系統(tǒng)在此監(jiān)控系統(tǒng)中，底層控制網(wǎng)絡采用了CAN總線技術，節(jié)約了設備投資、提高了測量的精度和系統(tǒng)的可靠性；在信息網(wǎng)絡層，采用了嵌入式微處理器，既保證了系統(tǒng)的可靠性，實時性，又方便了系統(tǒng)的維護。這些先進技術的綜合運用，使生產(chǎn)調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)不僅很好地滿足了生產(chǎn)調(diào)度的需要，而且大大提高了生產(chǎn)的效率。
本文作者創(chuàng)新點:
由于分布式控制網(wǎng)絡采用了面向不同應用的協(xié)議標準，因此二者集成時需要某種數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)化，這就不能保證數(shù)據(jù)的準確性，本文采用嵌入式MPU和TCP/IP協(xié)議就可以很好的解決這個問題。