引言

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)，標(biāo)志著工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域又一個(gè)新時(shí)代的開(kāi)始，并對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生了重要的影響。控制器局域網(wǎng)CAN（Controller Aera Network）屬于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的范疇，CAN總線(xiàn)的數(shù)據(jù)通信具有極高的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性的特點(diǎn)，是一種有效支持集散控制系統(tǒng)和實(shí)時(shí)控制的多主串行總線(xiàn)。

1. 基于CAN總線(xiàn)的集散控制系統(tǒng)

圖1 基于CAN總線(xiàn)的集散控制系統(tǒng)

基于CAN總線(xiàn)的集散控制系統(tǒng)如圖1所示，采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)式控制系統(tǒng)FCS（Fieldbus Control System）結(jié)構(gòu)，由上位機(jī)、CAN總線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)、CAN智能節(jié)點(diǎn)組成。上位機(jī)主要完成在線(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控，上位機(jī)通過(guò)CAN適配卡與CAN總線(xiàn)相連;CAN智能節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)采集及計(jì)算、節(jié)點(diǎn)設(shè)定、節(jié)點(diǎn)控制、運(yùn)行顯示等。上位機(jī)和智能節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)CAN現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)交換各種數(shù)據(jù)和管理控制信息。

2. CAN的性能特點(diǎn)

CAN為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，通訊方式靈活，且無(wú)需站地址等節(jié)點(diǎn)信息。

CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級(jí)，可滿(mǎn)足不同的實(shí)時(shí)要求，高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)最多可在134μs內(nèi)得到傳輸。

CAN采用非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù)，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線(xiàn)發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)的退出發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)較高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線(xiàn)沖突仲裁時(shí)間。

CAN只需要通過(guò)報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無(wú)需專(zhuān)門(mén)的“調(diào)度”。

CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（速率5kbps以下）;通信速率最高可達(dá)1Mbps（此時(shí)通信距離最長(zhǎng)為40m）。

CAN上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá)110個(gè)，報(bào)文標(biāo)識(shí)符可達(dá)2032種（CAN2.0A），而擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)（CAN2.0B）的報(bào)文標(biāo)識(shí)符幾乎不受限制。

CAN采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，具有極好的檢錯(cuò)效果。

CAN的每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低。

CAN通信介質(zhì)可為雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光纖，選擇靈活。

CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線(xiàn)上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。

3. CAN智能節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

目前常用的CAN器件分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是獨(dú)立的CAN控制器，如Philips的PCA82C250、SJA1000等，另一類(lèi)是帶有CAN功能的微控制器，如PIC的DSPIC6014、TI的TMS320F2812、Motorola的MC9S12DT128等等。本文采用Intel的 87C196KD微處理器和PHILIP的 SJA1000 CAN控制器完成CAN總線(xiàn)智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

圖2 CAN智能節(jié)點(diǎn)硬件電路

CAN智能節(jié)點(diǎn)硬件電路如圖2所示。電路主要由五部分組成：微控制器87C196KD、獨(dú)立CAN控制器SJA1000、CAN總線(xiàn)收發(fā)器82C250、高速光電耦合器6N137、復(fù)位電路。

微控制器87C196KD是CAN智能節(jié)點(diǎn)的核心部分，87C196KD具有32K字節(jié)的ROM和1000字節(jié)的RAM，可用高級(jí)語(yǔ)言編程。87C196KD主要完成節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集及計(jì)算、節(jié)點(diǎn)設(shè)定、節(jié)點(diǎn)控制、運(yùn)行顯示等功能，并與CAN控制器SJA1000之間發(fā)送、接收數(shù)據(jù)。

SJA1000芯片是一種應(yīng)用廣泛、性能優(yōu)異的CAN總線(xiàn)控制器。SJA1000負(fù)責(zé)完成CAN總線(xiàn)通信協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能。它有Basicmode和Pelimode兩種工作模式，與 Basicmode模式相比，Pelimode工作模式支持?jǐn)U展幀，報(bào)文標(biāo)識(shí)符可達(dá)29位，提供了更加強(qiáng)大的功能。為減少每幀非數(shù)據(jù)字符的數(shù)量，提高信息交換速度，在實(shí)際應(yīng)用中宜采用Basicmode模式。在Basicmode模式下，SJA1000對(duì)于微處理器來(lái)說(shuō)相當(dāng)于一個(gè)存儲(chǔ)器映像外圍設(shè)備，它的可尋址域由控制段和接收、發(fā)送緩沖器組成。SJA1000的AD0～AD7連接到87C196KD的P3口（數(shù)據(jù)總線(xiàn)），采用并口連接方式，數(shù)據(jù)讀寫(xiě)速度快。87C196KD 地址總線(xiàn)的P4.6、P4.7通過(guò)譯碼器與SJA1000的片選信號(hào)CS相連，SJA1000的RD、WR、ALE分別與87C196KD的RD、WR、ALE相連， SJA1000的INT經(jīng)過(guò)非門(mén)與87C196KD的EXINT相連， 微控制器也可以通過(guò)中斷的方式訪(fǎng)問(wèn)CAN控制器。

82C250是CAN控制器與物理總線(xiàn)之間的接口。82C250的CANL和CANH與CAN總線(xiàn)相連，若82C250處于CAN總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)終端，CANL和CANH之間需加一個(gè)匹配電阻，用于消除反射信號(hào)的干擾。RS用于選擇三種不同的工作方式：高速、斜率控制和待機(jī)，RS串接一個(gè)電阻后再接地，用于控制上升和下降斜率，減小射頻干擾。

為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)抗干擾能力，在CAN控制器SJA1000和CAN總線(xiàn)收發(fā)器82C250之間加接高速光電耦合器6N137，并采用DC-DC變換器隔離電源，這樣就很好的實(shí)現(xiàn)了總線(xiàn)上各個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)之間的 器隔離。

復(fù)位電路由看門(mén)狗MAX706和手動(dòng)復(fù)位按扭組成。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，MAX706自動(dòng)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)給87C196KD和SJA1000復(fù)位，若想重新啟動(dòng)程序，可用手動(dòng)復(fù)位按扭復(fù)位。

4. CAN智能節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

CAN智能節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要包括三部分：CAN初始化程序、報(bào)文發(fā)送程序、報(bào)文接收程序。下面給出了Basic CAN模式CAN智能節(jié)點(diǎn)軟件的程序框圖和C語(yǔ)言源程序。

a.CAN初始化部分

#include 《80c196kd.h》

/＊ 應(yīng)包含的微控制器寄存器的定義＊/

#include _SFR_H_

#include _FUNCS_H_

#define BASE_CAN 0Xa000 /＊定義CAN控制器基址＊/

typedef struct ｛

unsigned int id; /＊報(bào)文標(biāo)識(shí)符＊/

unsigned char rtr; /＊遠(yuǎn)程幀位＊/

unsigned char dlen; /＊數(shù)據(jù)長(zhǎng)度＊/

unsigned char data［8］; /＊數(shù)據(jù)＊/

｝ MSG_STRUCT; /＊將CAN協(xié)議的幀用C語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)表示＊/

void init_can（）

｛

＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 0） = 0x01; /＊SJA1000進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)＊/

＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 4） = 0x00; /＊ 初始化接收代碼寄存器ACR ＊/

＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 5） = 0xff; /＊ 初始化接收屏蔽寄存器AMR ＊/

＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 6） = 0x00; /＊ 初始化總線(xiàn)時(shí)序寄存器BTR0 ＊/

＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 7） = 0x14; /＊ 初始化總線(xiàn)時(shí)序寄存器BTR1 ＊/

＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 8） = 0xfa; /＊ 初始化輸出控制寄存器OCR ＊/

｝

［！--empirenews.page--］　b.報(bào)文發(fā)送部分

unsigned char can_send（MSG_STRUCT smsg）

｛

unsigned char v;

int i;

v=＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 2）;

if（ v &0x08） /＊判斷是否可以發(fā)送數(shù)據(jù)＊/

｛ v=smsg.id》》3; /＊標(biāo)識(shí)符送識(shí)別碼寄存器＊/

＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 10） = v;

v=＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 10）;

v=smsg.id & 7; /＊識(shí)別碼0-2位、RTR、DLC＊/

v《《=5;

v+=smsg.dlen;

＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 11） = v;

for（i=0;i

｛ ＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 12+i） = smsg.data［i］; ｝

＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 1） = 0x01;

return（1）;

｝

else

｛ return（0）;｝

｝

c.報(bào)文接收部分

unsigned char can_receive（）

｛

MSG_STRUCT rmsg;

int i;

unsigned char buf1，buf2;

while（（＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 2）） & 0x01）/＊判斷是否有可接收信息＊/

｛buf1 = ＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 20）; /＊將一幀信息取出＊/

buf2 = ＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 21）;

rmsg.dlen = buf2 & 0x0f; /＊數(shù)據(jù)長(zhǎng)度＊/

for（i=0; i《 rmsg.dlen; i++） /＊取出數(shù)據(jù)＊/

｛rmsg.data［i］=＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 22 + i）; ｝

＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 1） = 0x04; /＊釋放接收緩沖器＊/

rmsg.rtr = （buf2 》》 4） & 0x01; /＊遠(yuǎn)程幀＊/

rmsg.id = buf1; /＊取出報(bào)文標(biāo)識(shí)符＊/

rmsg.id 《《= 3;

rmsg.id |= （buf2 》》 5） & 0x06;

switch （rmsg.id） /＊按標(biāo)識(shí)符轉(zhuǎn)入不同的數(shù)據(jù)處理程序＊/

case ……

｛……

……｝

break;

case ……

｝

｝

5. 結(jié)束語(yǔ)

本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于：將現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)引入到集散控制系統(tǒng)中，克服了傳統(tǒng)的串行通訊集散控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，通訊可靠性差的問(wèn)題。所給出的CAN智能節(jié)點(diǎn)已應(yīng)用于某發(fā)電廠的集散控制系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)一年多的運(yùn)行情況發(fā)現(xiàn)該設(shè)計(jì)方案具有較好的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。CAN智能節(jié)點(diǎn)不僅可以應(yīng)用于集散控制系統(tǒng)，還可以用于其它分布式控制系統(tǒng)。

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