基于CAN總線模塊的網絡測控系統(tǒng)的實現(xiàn)
CAN總線控制網絡和因特網采用統(tǒng)一的協(xié)議標準是 CAN總線控制網絡和因特網集成的方式之一，目前，它還是一個探索性的工作。雖然嵌入式控制的應用已經十分廣泛，但是 CAN總線控制網絡和因特網采用統(tǒng)一的協(xié)議標準還是一個嶄新的課題。這種方式將成為控制網絡和因特網絡完全集成的最終解決方案。由于分布式控制網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據格式的轉換機制，這將使系統(tǒng)復雜化，而且也不能確保數據的完整性。本文給出了基于 CAN總線模塊的網絡測控系統(tǒng)的各個硬件模塊，以及 CAN通信的軟件編程思想。
2 硬件系統(tǒng)的邏輯結構模塊
2.1 分布式測控系統(tǒng)結構
圖 1 基于 CAN總線的分布式測控系統(tǒng)結構網絡測控系統(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，包括數據采集、人機對話等；二是與上級節(jié)點進行數據交互，作為網絡測控系統(tǒng)的底層設備。本文針對實驗室的過程控制設備模擬工業(yè)現(xiàn)場設計了基于現(xiàn)場總線 CAN的分布式數字測控卡，系統(tǒng)結構框圖如圖 1所示。
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，是數據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/數字轉換器，且?guī)в?DMA控制器 ;集成有兩個 12位數字/模擬轉換器，具有可編程數據更新方式；集成有控制器局域網(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)參數通過 I/V轉換成電壓信號， C8051F060單片機采集此信號后，通過 CAN總線發(fā)送給上級網絡節(jié)點，同時上級網絡節(jié)點下傳的命令和參數經 DAC和 V/I轉換電路轉換成 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。
本測控卡的微處理器是新華龍公司生產的單片機 C8051F060，該系列芯片是集成在一塊芯片上的混合信號系統(tǒng)級單片機，其內核是與 MCS-51指令集完全兼容的 CIP-51微控制器內核，可以使用標準 803x/805x的匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)。
在設計該測控卡時，為了增加系統(tǒng)的靈活性，將測控卡設計成了兩塊 PCB插接在一起的方式。C8051F060，JTAG接口及其晶振獨立出來，設計在一塊板子上稱為核心板，系統(tǒng)的其他應用設計在另一塊板子上稱為應用板。核心板已構成了最簡單片機系統(tǒng)，可以在不需要外圍電路的基礎進行程序的下載和調試；而應用板則可根據系統(tǒng)的需要靈活設計外圍電路，這樣，對于不同系統(tǒng)的應用需要只需修改應用板就可以了。
2.2 JTAG調試接口與晶振電路
在 C8051F系列單片機片內都有一個 JTAG接口和邏輯，在上位機軟件的支持下，PC機通過 JTAG接口直接對控制系統(tǒng)進行在系統(tǒng)仿真調試。它不僅支持 FLASH ROM的讀/寫操作以及非侵入式在系統(tǒng)調試，而且還為 JTAG邏輯在系統(tǒng)測試提供了邊界掃描功能。 C8051F系列單片機上的四個引腳 TDI, TDO, TMS, TCK與調試工具串口適配器(RS232到 JTAG的接口模塊)直接相連，進行程序的下載和調試。圖 2 (a)是 JTAG調試接口。
C8051F060單片機包括一個可編程內部振蕩器和外部振蕩器驅動電路，系統(tǒng)可以由外部振蕩器電路或內部振蕩器分頻提供。系統(tǒng)復位后可編程內部振蕩器被默認為系統(tǒng)時鐘，且對應 24.5MHz的基頻。而外部振蕩器電路可以驅動外部晶體、陶瓷諧振器、電容或 RC網絡，也可以使用一個外部 CMOS時鐘提供系統(tǒng)時鐘。為了使串行通信接口的波特率精確更高，本測控卡使用了外部 11.0592MHz的晶振，并可用 l0MΩ電阻并聯(lián)到晶振的兩端，使系統(tǒng)更容易起振，如圖 3(b)所示。
2.4 電源電路
C8051F060單片機的工作電壓為+3.3V，測控系統(tǒng)中還使用了 5V器件，本文設計了如圖 3所示的電源電路。首先 220V交流電經濾波器進行共模濾波和差模濾波，為了降低電源工作時的電磁輻射，將交流電整流成高壓直流電，然后進入電源模塊 HAT15-05H12-WFCI得到輸出+5V和一個+12V的兩路直流電壓。+12V供 ADC電路和 DAC電路單元使用，另一路 5V電源供 MAX202等 5V器件使用。3.3V電源部分采用了 LDO芯片 SPX1117M3-3.3，其特點是輸出電流大，輸出電壓精度高，穩(wěn)定性高。[!--empirenews.page--]
C8051F060器件具有控制局域網(CAN)控制器，用 CAN協(xié)議進行串行通信。Silicon Labs CAN控制器符合 Bosch規(guī)范 2.0A(基本 CAN)和 2.0B(全功能 CAN)。CAN控制器包含一個 CAN核、消息 RAM、消息處理狀態(tài)機和控制寄存器。C8051F060內部的 CAN只是一個協(xié)議控制器，不提供物理層驅動器。它的工作位速率可以達 1M位/秒，實際速率可能受 CAN總線上所選擇傳輸數據的物理層的限制。CAN處理器有 32個消息對象，可以被配置為發(fā)送或接受數據。輸入數據、消息對象及其標識掩碼存儲器在 CAN消息 RAM中。所有數據發(fā)送和接收過濾的協(xié)議處理全部由 CAN控制器配置 CAN控制器，讀取接收到的數據和寫入待發(fā)送的數據。CAN控制器的時鐘等于 CIP-51 MCU的時鐘(SYSCLK)。由于考慮到系統(tǒng)在不同場合的適用性，采用了兩路 CAN驅動器。一路采用 TI公司生產的 SN65HVD230，工作電壓 3.3V，適應惡劣工作環(huán)境的 CAN總線收發(fā)器，其最大傳輸能力可達 1Mbps。具有失地保護、過壓保護、過熱保護等功能。第 8腳的不同設置可以使芯片工作于高速、斜坡控制和低功耗 3種工作模式。本測控卡中，第 8腳接地使芯片工作于高速模式。并聯(lián)在總線上的 30pF的電容 C24, C25可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的能力。
另一路采用的是 82C250CAN收發(fā)器，芯片 82C250是 CAN控制器與物理總線之間的接口，它最初是為汽車中的高速應用(達 1 Mbps)而設計的。器件可以提供對總線的差動發(fā)送和接收功能。
82C250采用雙向差分驅動，有助于抑制汽車等惡劣電氣環(huán)境下的瞬變干擾。利用 82C250還可方便地在 CAN控制器與驅動器之間建立電氣隔離，以實現(xiàn)總線上各節(jié)點間的電氣隔離。本系統(tǒng)中 82C250的通信電路如圖 4。
3 軟件實現(xiàn)
本節(jié)中將對系統(tǒng)軟件進行詳細闡述。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測量，每次測量結束后使用查詢方式將測量結果保存到數據緩沖池中。由于單片機的 RAM容量有限(C8051F060具有 4K的 RAM )，筆者使用了數據緩沖池，以保存一定數量的測量結果。緩沖池使用先進先出策略，在保存時先判斷緩沖池是否填滿，沒滿時緩沖指針加 1，數據保存進下一個單元，填滿時使指針指向緩沖池的頂部，數據保存進緩沖池，以前的數據丟掉。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 5。
本文作者創(chuàng)新點：本文詳細介紹了基于 CAN總線模塊的網絡測控系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。該測控系統(tǒng)是采用 C8051F060作為微控制器，充分利用了該單片機豐富的片上資源，如 CAN控制器、AD轉換器、DA轉換器等，最后介紹了軟件的編程思想。
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