摘 要:本文重點(diǎn)介紹了CAN總線在熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用,設(shè)計(jì)了基于DSP的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控器硬件系統(tǒng),制定了用戶層通信協(xié)議,并詳細(xì)介紹了CAN網(wǎng)絡(luò)通信部分的硬件和軟件。
關(guān)鍵詞:網(wǎng)絡(luò)通信;CAN;現(xiàn)場(chǎng)控制器;DSP;熱網(wǎng)監(jiān)控
引言
目前我國(guó)北方許多城市已經(jīng)或者即將進(jìn)行熱網(wǎng)改造工程,將傳統(tǒng)的分散供熱改造為集中供熱。
由于CAN總線相比其它現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)具有眾多優(yōu)點(diǎn),因此在工業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文基于該總線技術(shù)針對(duì)熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)控制和通信的子系統(tǒng),能安全可靠地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、閉環(huán)控制及數(shù)據(jù)傳輸。鑒于篇幅,本文重點(diǎn)介紹CAN網(wǎng)絡(luò)通信部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其硬件構(gòu)成
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)主要由上位機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)控制器組成,總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)是在一次設(shè)備(傳感器、變送器、各種執(zhí)行機(jī)構(gòu))的基礎(chǔ)上完成對(duì)熱網(wǎng)的監(jiān)測(cè)與控制,通過(guò)調(diào)節(jié)熱管網(wǎng)的供水流量、供水溫度、供水壓力,來(lái)保證熱網(wǎng)安全、可靠、高效、穩(wěn)定的運(yùn)行。根據(jù)上述要求,本系統(tǒng)在保證系統(tǒng)可靠工作和降低成本的條件下,考慮到通用性、實(shí)時(shí)性和可擴(kuò)展性等方面的因素,采用了主要由上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)控制器構(gòu)成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
系統(tǒng)工作過(guò)程如下:上位機(jī)首先初始化CAN網(wǎng)卡,設(shè)置網(wǎng)卡工作模式、接收碼、接收掩碼和波特率,然后進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài),在適當(dāng)條件下與現(xiàn)場(chǎng)控制器進(jìn)行通信。現(xiàn)場(chǎng)控制器主要完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與處理和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制等功能,并以查詢或中斷方式與主機(jī)進(jìn)行通信。
圖1 熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
硬件系統(tǒng)
CAN網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用總線式結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、系統(tǒng)可靠性高。信息的傳輸采用CAN通信協(xié)議,通信介質(zhì)采用雙絞線。
圖2 現(xiàn)場(chǎng)控制器的結(jié)構(gòu)框圖
上位機(jī)
上位機(jī)采用工控機(jī),負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行管理。上位機(jī)通過(guò)CAN網(wǎng)卡與現(xiàn)場(chǎng)控制器通信,同時(shí)通過(guò)局域網(wǎng)或者公共電話交換網(wǎng)與整個(gè)工廠或者公司的計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接,實(shí)現(xiàn)信息共享。上位機(jī)具有組態(tài)、數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)置、遠(yuǎn)程控制、流程顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、趨勢(shì)顯示、報(bào)表打印以及通信等功能。
圖3 CAN網(wǎng)絡(luò)通信接口單元電路
CAN網(wǎng)卡
CAN網(wǎng)卡是負(fù)責(zé)CAN總線與上位機(jī)之間數(shù)據(jù)交換的功能模塊。CAN網(wǎng)卡上存在兩個(gè)方向的數(shù)據(jù)交換:CAN網(wǎng)卡與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換(通過(guò)雙端口RAM實(shí)現(xiàn))以及CAN網(wǎng)卡與CAN總線之間的數(shù)據(jù)交換(由微處理器通過(guò)訪問(wèn)CAN控制器的接收緩沖區(qū)以及發(fā)送緩沖區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn))。CAN網(wǎng)卡上的CAN控制器選用的是PHILIPS公司的SJA1000芯片。
圖4 通用定時(shí)器周期中斷服務(wù)程序
現(xiàn)場(chǎng)控制器
現(xiàn)場(chǎng)控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
該現(xiàn)場(chǎng)控制器具有14路模擬量輸入端口、2路模擬量輸出端口、4路開(kāi)關(guān)量輸入端口、4路開(kāi)關(guān)量輸出端口以及時(shí)鐘接口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)接口、液晶顯示接口、網(wǎng)絡(luò)通信接口、報(bào)警輸出接口等。本系統(tǒng)采用了TI公司的帶有10位ADC和CAN控制器的DSP芯片TMS320LF2407A作為CPU。
網(wǎng)絡(luò)通信接口單元是用來(lái)對(duì)CAN總線進(jìn)行讀寫(xiě)訪問(wèn)的部分控制電路。當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),CPU將數(shù)據(jù)交給網(wǎng)絡(luò)接口單元電路,由網(wǎng)絡(luò)接口單元電路進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、串并轉(zhuǎn)換和信號(hào)形式轉(zhuǎn)換,并將數(shù)據(jù)按照CAN協(xié)議信號(hào)形式發(fā)送到CAN總線上。當(dāng)CAN總線上有數(shù)據(jù)時(shí),它負(fù)責(zé)從CAN總線上讀取數(shù)據(jù)。首先通過(guò)幀過(guò)濾功能判斷是否接收此幀,若接收,則通過(guò)與發(fā)送相反的過(guò)程,將數(shù)據(jù)交給CPU。
表1 標(biāo)識(shí)符分配方案
網(wǎng)絡(luò)通信接口單元主要由TMS320LF2407A片內(nèi)的CAN控制器及CAN收發(fā)器PCA82C250組成。CAN控制器負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換,承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)通訊的控制任務(wù)。CAN收發(fā)器PCA82C250是CAN控制器和物理總線間的接口,負(fù)責(zé)信號(hào)的電平及形式轉(zhuǎn)換,可以提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送能力和對(duì)CAN控制器的差動(dòng)接收能力。為防止CAN總線上的干擾進(jìn)入板卡,本系統(tǒng)采用光電隔離器件6N137來(lái)實(shí)現(xiàn)收發(fā)雙向隔離。網(wǎng)絡(luò)通信接口單元具體電路如圖3所示。
CAN通信軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
CAN遵從OSI模型,按照OSI基準(zhǔn)模型,CAN結(jié)構(gòu)劃分為兩層:數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。然而,在實(shí)際應(yīng)用中,即使只是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的基于CAN的分布式系統(tǒng),僅有物理層和數(shù)據(jù)鏈路層也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。比如對(duì)于傳輸長(zhǎng)度超過(guò)8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)塊、帶有握手協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程、標(biāo)識(shí)符分配以及通過(guò)網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)等功能就不能實(shí)現(xiàn)。
因此需要在這兩層之外附加一層來(lái)支持應(yīng)用過(guò)程,即應(yīng)用層。這一層功能對(duì)應(yīng)OSI基準(zhǔn)模型中的上五層,主要完成網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層的工作,提供接口,使得通信模塊和具體應(yīng)用模塊分離。針對(duì)熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng),應(yīng)用層協(xié)議需要通信雙方具體協(xié)商制定。
CAN通信應(yīng)用層協(xié)議
現(xiàn)場(chǎng)控制器軟件設(shè)計(jì)中與上位機(jī)的通信是最關(guān)鍵的部分之一。針對(duì)熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng),使用現(xiàn)場(chǎng)總線CAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù),制定了CAN應(yīng)用層協(xié)議。應(yīng)用層完成的主要工作有:標(biāo)識(shí)符分配、多報(bào)文數(shù)據(jù)包的處理、報(bào)文發(fā)送與接收等。
標(biāo)識(shí)符分配方案
TMS320LF2407A支持CAN 2.0B協(xié)議,本系統(tǒng)通信的信息幀采用擴(kuò)展幀,具有29位標(biāo)識(shí)符,標(biāo)識(shí)符分配方案如表1所示。
其中,DIR表示方向。DIR=0時(shí),表示主站向從站發(fā)送數(shù)據(jù);DIR=1時(shí),表示從站向主站發(fā)送數(shù)據(jù)。TYPE為報(bào)文幀類(lèi)型。當(dāng)TYPE.2=0時(shí),表示點(diǎn)對(duì)點(diǎn)發(fā)送;當(dāng)TYPE.2=l時(shí),表示廣播發(fā)送。當(dāng)TYPE~TYPE.0Xb時(shí),表示單幀報(bào)文;TYPE.1~TYPE.0=11b時(shí),表示非結(jié)束多幀報(bào)文;TYPE.1~TYPE.0=10b時(shí),表示結(jié)束多幀報(bào)文。另外還有目標(biāo)地址和源地址各七位,命令符八位。命令符是用來(lái)標(biāo)識(shí)上位機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制器的控制命令,或現(xiàn)場(chǎng)控制器對(duì)上位機(jī)的上傳命令。
報(bào)文的處理
本設(shè)計(jì)對(duì)CAN通信中的報(bào)文處理做了以下規(guī)定:
單報(bào)文:?jiǎn)螆?bào)文由標(biāo)識(shí)符中的數(shù)據(jù)類(lèi)型TYPE.1決定,當(dāng)其為0時(shí)表示為單報(bào)文,此時(shí)待傳送的數(shù)據(jù)不超過(guò)8個(gè)字節(jié),數(shù)據(jù)段中為實(shí)際傳送的數(shù)據(jù)。
多報(bào)文的首幀和中間幀:多報(bào)文的首幀和中間幀由TYPE.1~TYPE.0決定,當(dāng)其為11b時(shí)表示為非結(jié)束多報(bào)文,即為多報(bào)文的首幀和中間幀,此時(shí)待傳送的數(shù)據(jù)超過(guò)8個(gè)字節(jié),數(shù)據(jù)段中第1個(gè)字節(jié)為索引項(xiàng),后7個(gè)字節(jié)為傳送的數(shù)據(jù)。
多報(bào)文的尾幀:多報(bào)文的尾幀由TYPE.1~TYPE.0決定,當(dāng)其為10b時(shí)表示為結(jié)束多報(bào)文,即為多報(bào)文的尾幀,此時(shí)規(guī)定該幀中數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為2個(gè)字節(jié),數(shù)據(jù)段中第1個(gè)字節(jié)為索引項(xiàng),第2個(gè)字節(jié)為待傳送數(shù)據(jù)的總長(zhǎng)度,單位為字節(jié)。
CAN通信初始化
CAN通信初始化主要是設(shè)置CAN的通信參數(shù),包括配置位定時(shí)器和初始化郵箱兩部分。需要初始化的寄存器有:位配置寄存器2、位配置寄存器1、標(biāo)識(shí)符寄存器、控制寄存器、局部屏蔽寄存器等。需要注意的是,只有當(dāng)全局狀態(tài)寄存器中的改變配置使能位為高時(shí),才能配置位定時(shí)器;當(dāng)主控制器中的改變配置請(qǐng)求位為1,即CAN控制器處于復(fù)位工作方式時(shí),才能配置標(biāo)識(shí)符寄存器、控制寄存器和數(shù)據(jù)域。在訪問(wèn)位配置寄存器時(shí),由于其內(nèi)容決定波特率的數(shù)值,位配置寄存器的初始化字必須依據(jù)系統(tǒng)中各CAN控制器的晶振頻率而設(shè)定。
數(shù)據(jù)發(fā)送
信息從CAN控制器發(fā)送到CAN總線是由CAN控制器自動(dòng)完成的。發(fā)送程序只需把要發(fā)送的信息幀送到相關(guān)的CAN寄存器,啟動(dòng)發(fā)送命令即可。數(shù)據(jù)發(fā)送采用通用定時(shí)器周期中斷,定時(shí)發(fā)送已采集的數(shù)據(jù)到上位機(jī),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),以便用戶查詢。由于采集到的數(shù)據(jù)超過(guò)8個(gè)字節(jié),所以需對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行分片構(gòu)造報(bào)文。通用定時(shí)器周期中斷服務(wù)程序如圖4所示。
數(shù)據(jù)接收
信息從CAN總線到CAN接收郵箱是由CAN控制器自動(dòng)完成的,數(shù)據(jù)接收采用郵箱中斷。在中斷服務(wù)程序中讀取接收到的數(shù)據(jù),對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼,并置位相應(yīng)標(biāo)志位。在主程序循環(huán)中查詢標(biāo)志位,當(dāng)檢測(cè)到標(biāo)志位被置位時(shí),則進(jìn)入相應(yīng)處理程序,同時(shí)對(duì)標(biāo)志位清零。
結(jié)語(yǔ)
應(yīng)用層協(xié)議是CAN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的關(guān)鍵,因此該系統(tǒng)中的重點(diǎn)工作是在現(xiàn)場(chǎng)控制器與上位機(jī)之間的通信中,使用現(xiàn)場(chǎng)總線CAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù),制定了用戶層通信協(xié)議。而且本系統(tǒng)已經(jīng)完成了在實(shí)驗(yàn)室階段的調(diào)試工作,通信部分能夠正常工作。本文介紹的CAN 通信設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的通用性,其成果可以應(yīng)用在很多數(shù)據(jù)采集的場(chǎng)合。