CAN總線的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　現(xiàn)場(chǎng)總線及其應(yīng)用技術(shù)日益成為國(guó)際自動(dòng)控制領(lǐng)域關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。CAN總線是目前公認(rèn)的幾種最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜和光纖，其通信速率可達(dá)1mbps。can國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定更加推動(dòng)了它的發(fā)展和應(yīng)用，基于can總線的工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)業(yè)大量涌現(xiàn)。其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括大型儀器設(shè)備、傳感器技術(shù)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)等[1][2]。本文結(jié)合can總線的特點(diǎn)，介紹了基于can總線的數(shù)據(jù)采集與處理的一種設(shè)計(jì)方法。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1 can系統(tǒng)概要

　　圖1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

　　本系統(tǒng)由兩個(gè)cpu通過(guò)雙口 ram相互連接組成，一片cpu(p87c591)負(fù)責(zé)can信號(hào)的發(fā)送與接收，另一片cpu(p89c58ba)負(fù)責(zé) rs-485 信號(hào)的發(fā)送與接收。設(shè)計(jì)中通訊控制器選用了集成有can控制器的p87c591單片機(jī)。它自帶的can控制器完全具有sja1000的功能，可完成can協(xié)議中規(guī)定的所有數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的功能。且p87c591自帶了15個(gè)中斷源和看門(mén)狗定時(shí)器(wdt)，應(yīng)用十分方便。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。圖中各部分所完成的主要功能如下：

　　(1) cpu-1：該芯片帶有can接口，故可與下位機(jī)進(jìn)行can通訊。通過(guò)can總線發(fā)送上位機(jī)的設(shè)定信息給下位機(jī)，同時(shí)接收下位機(jī)提供的數(shù)據(jù)信息，將其存入雙口ram中，以供cpu-2來(lái)查詢。

　　(2) cpu-2：該芯片連接有max491和max485 芯片，故可與外部進(jìn)行422或485通訊，上位機(jī)的信息通過(guò)485通訊讀入cpu-2之中，cpu-2再將其存入雙口ram之中，以供cpu-1來(lái)查詢，cpu-1再通過(guò)can總線將此設(shè)定信息傳送給上位機(jī)。反之，下位機(jī)的所有已存入雙口ram的檢測(cè)值信息，也是通過(guò)該單片機(jī)的讀取，并通過(guò)485通訊，將所有顯示信息在人機(jī)界面上顯示。

　　(3) 雙口ram：雙口ram用于存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)置信息和狀態(tài)信息，完成各種信息存儲(chǔ)與交換。選用存儲(chǔ)容量為16k的idt7006系列，并采用后備電池支持，保證掉電時(shí)存儲(chǔ)的信息不丟失。雙口ram按存儲(chǔ)內(nèi)容不同，分為設(shè)置區(qū)、狀態(tài)區(qū)和預(yù)留區(qū)。設(shè)置區(qū)用來(lái)存儲(chǔ)上位機(jī)的信息;狀態(tài)區(qū)用來(lái)存儲(chǔ)從下位機(jī)收集的系統(tǒng)狀態(tài)信息;預(yù)留區(qū)則作為預(yù)留備用。

　　2.2 p87c591單片機(jī)概要

　　在系統(tǒng)中采用philips公司生產(chǎn)的p87c591單片機(jī)，該單片機(jī)是一個(gè)8 位高性能微控制器具有片內(nèi)can控制器[3]，大大簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)，提高了can接口的穩(wěn)定性。p87c591 采用了強(qiáng)大的80c51指令集，并集成了sja1000 can控制器的pelican功能。主要有以下功能特點(diǎn)：can2.0b控制器，支持11位標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符和29位擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符，4個(gè)可獨(dú)立配置的驗(yàn)收濾波器，都可“在運(yùn)行中改變”。can控制器的發(fā)送緩沖區(qū)能夠保存一個(gè)完整的can信息幀(標(biāo)準(zhǔn)或擴(kuò)展幀格式)，只要通過(guò)cpu啟動(dòng)發(fā)送，信息字節(jié)就從發(fā)送緩沖區(qū)傳輸?shù)絚an內(nèi)核模塊完成發(fā)送。can接口包含5個(gè)實(shí)現(xiàn)cpu與can控制器連接的特殊功能寄存器，對(duì)重要can寄存器的訪問(wèn)通過(guò)快速自動(dòng)增加的尋址和對(duì)特殊功能寄存器的位尋址實(shí)現(xiàn)。接收一個(gè)信息時(shí)，can內(nèi)核模塊將串行位流轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)輸入到驗(yàn)收濾波器，通過(guò)該可編程濾波器，p87c591可以確定實(shí)際接收到的信息。

　　p87c591連接的can節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，所需的外部元件只是一個(gè)晶振加兩個(gè)電容驅(qū)動(dòng)片內(nèi)震蕩器、一個(gè)連接到復(fù)位腳的電阻、電容。使用片內(nèi)上電復(fù)位電路以及一個(gè)收發(fā)器將p87c591連接到can總線上。如圖2所示。

　　圖2 can 節(jié)點(diǎn)電路

　　2.3 can總線p87c591單片機(jī)側(cè)的主要任務(wù)

　　在整個(gè)系統(tǒng)中591起到數(shù)據(jù)傳輸和處理的作用，通過(guò)can總線接收數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)接收來(lái)的信息，整理后按協(xié)議存儲(chǔ)到雙口ram中。其主要任務(wù)有以下兩點(diǎn)：其一采集下位機(jī)的數(shù)據(jù)信息;其二將采集來(lái)的信息按照協(xié)議的約定存儲(chǔ)到雙口ram中的固定的位置，便于58查詢顯示。

　　3 can總線軟件設(shè)計(jì)

　　can總線軟件設(shè)計(jì)主要包括兩大部分：通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層協(xié)議和功能實(shí)現(xiàn)的流程和編碼。can通信軟件主要由初始化、接收處理、發(fā)送處理及中斷處理等組成。本文重點(diǎn)介紹發(fā)送、接收處理子程序。

　　3.1 發(fā)送程序

　　發(fā)送子程序負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)報(bào)文的發(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。其流程圖如圖3所示。

　　圖3 查詢發(fā)送流程圖

　　3.2 接收程序

　　接收子程序負(fù)責(zé)接收節(jié)點(diǎn)報(bào)文的接收。信息從can總線到can緩沖區(qū)是由can控制器自動(dòng)完成的，接收程序只需從接收緩沖區(qū)讀取要接收的信息。其流程圖如圖4所示。

　　圖4 中斷接收流程圖

　　4 問(wèn)題討論

　　本設(shè)計(jì)的硬件電路中， 采用雙cpu系統(tǒng)，即用一個(gè)cpu完成測(cè)控功能，另一個(gè)cpu完成系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)和接口通信功能。cpu間的通信可以采用串口、并口等方式，但它們共同的缺點(diǎn)是操作復(fù)雜、速度慢。因此，采用雙口ram方式在兩個(gè)cpu系統(tǒng)間交換數(shù)據(jù)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。但雙口ram有時(shí)會(huì)發(fā)生共享沖突問(wèn)題。

　　一般雙口ram都提供了兩個(gè)完全獨(dú)立的端口，每個(gè)端口都有自己的控制線、地址線和數(shù)據(jù)線，cpu對(duì)雙口ram端口的操作等效于對(duì)它對(duì)外部ram進(jìn)行操作。雙口ram在使用上要注意的問(wèn)題是如何避免兩端cpu對(duì)同一ram單元的爭(zhēng)用，雙口ram可提供三種防沖突方式：插入等待狀態(tài)的防沖突方式;信號(hào)燈防沖突方式;中斷防沖突方式。本設(shè)計(jì)中雙口ram主要用于兩個(gè)cpu之間交換數(shù)據(jù)，由于交換的實(shí)時(shí)性很難用軟件來(lái)保證，所以采用中斷方式解決沖突問(wèn)題。

　　雙口ram被劃分為兩個(gè)區(qū)域，其中數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)是通信cpu插件向其發(fā)送命令和數(shù)據(jù)的區(qū)域;數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)是它向通信cpu插件發(fā)送數(shù)據(jù)的區(qū)域。為了保證數(shù)據(jù)交換的實(shí)時(shí)性和有效性，可采用雙口ram的中斷方式通知對(duì)方，信號(hào)intl和intr可作為cpu的一個(gè)中斷輸入。數(shù)據(jù)交換時(shí)，先將數(shù)據(jù)放入對(duì)應(yīng)的雙口ram存儲(chǔ)區(qū)，然后寫(xiě)入對(duì)方信箱，以通知對(duì)方有數(shù)據(jù)發(fā)送;接收方在相應(yīng)的中斷中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)讀自己的信箱以清除中斷信號(hào)，然后再寫(xiě)入對(duì)方信箱以告知其數(shù)據(jù)已處理完畢。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可用于電力參數(shù)監(jiān)控和其他工業(yè)自動(dòng)化場(chǎng)合。利用can總線結(jié)構(gòu)靈活簡(jiǎn)單，可靠性高，適應(yīng)性好，易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)rs485/422和can 總線轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備與上位機(jī)間或其他監(jiān)控裝置的數(shù)據(jù)交換，利用上位機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，實(shí)現(xiàn)事件記錄、數(shù)據(jù)處理等功能。因此該系統(tǒng)用于工業(yè)領(lǐng)域性價(jià)比較高。