基于嵌入式和CAN總線的測控系統(tǒng)設(shè)計

　　隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，Internet把世界上分散的計算機(jī)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(luò)，成功的實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)資源共享。而CAN總線技術(shù)使得控制系統(tǒng)向著分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展，使控制技術(shù)與計算機(jī)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更為緊密的結(jié)合在一起。隨著CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展，控制網(wǎng)絡(luò)與因特信息網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，方便了對設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控、診斷和維護(hù)。

　　2 系統(tǒng)模型概述

　　本設(shè)計采用在CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(shè)備，使控制網(wǎng)絡(luò)作為信息網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展與之緊密集成。硬件設(shè)備可以是一臺專門的計算機(jī)，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(yīng)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(qiáng)，但實時性較差。信息網(wǎng)絡(luò)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(dāng)CAN設(shè)備有大量信息上傳或遠(yuǎn)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(shù)進(jìn)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(jī)作為控制網(wǎng)絡(luò)層的核心控制器，采用三星公司的S3C2410嵌入式微處理器設(shè)計信息網(wǎng)絡(luò)，將工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備和遠(yuǎn)程服務(wù)器、工作站連為一體，構(gòu)建了體積輕巧、功能強(qiáng)大、方便靈活的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)。

　　3.1系統(tǒng)方案

　　本系統(tǒng)由信息網(wǎng)絡(luò)層和控制網(wǎng)絡(luò)層兩部分組成。信息網(wǎng)絡(luò)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(luò)層是基于C8051F060的控制網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)，它直接與工業(yè)測控設(shè)備聯(lián)系，負(fù)責(zé)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(shè)備。論文對CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)進(jìn)行了深入研究，提出在提高信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的實時性和兼容性的基礎(chǔ)上，從底層設(shè)備到遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)都使用統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計方案，以確保信息準(zhǔn)確、快速、完整傳輸。本方案的優(yōu)點是價格低廉、功能強(qiáng)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(luò)部分

　　信息網(wǎng)絡(luò)要對控制系統(tǒng)的底層控制參數(shù)進(jìn)行決策，因此信息網(wǎng)絡(luò)在控制系統(tǒng)中扮演著重要的角色。一方面它要和遠(yuǎn)程PC通信，另一方面它還要和控制網(wǎng)絡(luò)層的單片機(jī)通信，起著連接PC和工業(yè)現(xiàn)場智能設(shè)備的橋梁作用。

　　信息網(wǎng)絡(luò)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(shè)備以及高性價比、低功耗的應(yīng)用。S3C2410內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，提供可擴(kuò)展的功能模塊也較多，如圖2所示。

　　3.3控制網(wǎng)絡(luò)部分

　　網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)擴(kuò)展CAN總線模塊，要擔(dān)負(fù)至少兩個方面的任務(wù)：一是支持現(xiàn)場操作，包括數(shù)據(jù)采集、人-機(jī)對話等；二是與上級節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，作為網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)的底層設(shè)備，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

　　基于CAN總線的分布式測控卡主要由單片機(jī)C8051F060、輸入/輸出電路、電源電路、人-機(jī)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(jī)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(biāo)識掩碼。工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)通過I/V轉(zhuǎn)換成電壓信號，C8051F060單片機(jī)采集此信號后，通過CAN總線發(fā)送給上級網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，同時上級網(wǎng)絡(luò)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(shè)備。人-機(jī)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(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)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(luò)。首先，CAN通信基于報文，無需為每個節(jié)點設(shè)定一個獨立且唯一的地址。它采用標(biāo)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(biāo)識符的濾波機(jī)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(shè)定一個唯一點IP地址。其次，CAN與Internet采用不同的沖突仲裁機(jī)制。CAN采用的是無破壞性仲裁機(jī)制，當(dāng)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過了CAN數(shù)據(jù)幀的長度，最長可達(dá)16KB。

　　4.1通信方式

　　實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的通信，需要在不同的協(xié)議之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這可通過網(wǎng)關(guān)來完成。網(wǎng)關(guān)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(luò)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)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(guān)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(guān)必須具備它所要連接到不同網(wǎng)絡(luò)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(jī)來充當(dāng)網(wǎng)關(guān)。但在某些情況下使用PC機(jī)并不方便，需要在MCU/MPU嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)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(wù)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(shè)備連接到Internet，互連實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交換或者遠(yuǎn)程訪問和機(jī)器控制，TCP／IP協(xié)議是互連的核心技術(shù)。

　　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(jī)大部分時間在進(jìn)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)緩沖區(qū)，以前的數(shù)據(jù)丟掉。本系統(tǒng)的設(shè)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(jī)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(luò)采用了CAN總線技術(shù)，節(jié)約了設(shè)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(luò)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(hù)。這些先進(jìn)技術(shù)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(luò)采用了面向不同應(yīng)用的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，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(zhǔn)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。