摘　要：本文介紹了基于CAN總線的嵌入式控制系統(tǒng)底層網(wǎng)絡(luò)中的現(xiàn)場智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，研究了其網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及功能，并對智能節(jié)點(diǎn)的通信功能進(jìn)行了詳細(xì)分析。

　　關(guān)鍵詞：CAN總線   智能節(jié)點(diǎn)  實(shí)時監(jiān)控  數(shù)據(jù)通信

　　1引言

　　基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)（FCS）是一種開放的分布式控制系統(tǒng)。它把專用封閉協(xié)議變成標(biāo)準(zhǔn)開放協(xié)議，使系統(tǒng)具有完全數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力；在結(jié)構(gòu)上，采用了全分布式方案，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，提高了系統(tǒng)靈活性和可靠性；它突破了集散控制系統(tǒng)（DCS）中采用專用網(wǎng)絡(luò)的缺陷。因此對基于現(xiàn)場總線的工業(yè)控制系統(tǒng)研究具有重大的意義。CAN控制器局域網(wǎng)絡(luò)是德國BOSCH公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。它支持分布式實(shí)時控制系統(tǒng)的串行通信局域網(wǎng),廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中的檢測和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)通信。由它構(gòu)成的智能節(jié)點(diǎn)，硬件接口簡單，編程方便，集成容易，在系統(tǒng)分布比較分散、實(shí)時性要求高、現(xiàn)場環(huán)境干擾大的場合尤其適用。

　　2基于CAN總線智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　2.1 基于CAN總線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型

　　在本系統(tǒng)中CAN總線采用多主方式工作，外掛多個(可達(dá)110多個)智能節(jié)點(diǎn)。整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)由監(jiān)控主機(jī)系統(tǒng)及多個現(xiàn)場智能節(jié)點(diǎn)通過CAN總線連接而成的。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示，其中現(xiàn)場智能節(jié)點(diǎn)主要是由CAN控制芯片和微處理芯片（MCU）以及其上運(yùn)行的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成。因此對智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)可以分為兩個部分：硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)部分，硬件設(shè)計(jì)包括芯片的選型，接口電路的設(shè)計(jì)等；軟件設(shè)計(jì)則是各功能模塊的劃分與實(shí)現(xiàn)。

　　2.2  CAN智能節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)   

　　CAN智能節(jié)點(diǎn)是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，主要完成對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控調(diào)節(jié)、設(shè)備實(shí)時工作數(shù)據(jù)的采集、以及與其他節(jié)點(diǎn)以及與監(jiān)控主機(jī)通信來實(shí)現(xiàn)分布式控制。其結(jié)構(gòu)如圖2所示:

　　智能節(jié)點(diǎn)的基本組成部件主要有：雙MCU可選用Microchip公司的PIC16F87X系列微控制器芯片；RS232接口芯片,這里先用 MAX232；CAN控制芯片可選用Microchip公司的MCP2510CAN控制芯片；雙MCU結(jié)構(gòu)成了用于對現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)控的顯控機(jī)系統(tǒng)和主控機(jī)系統(tǒng)。主控機(jī)的主要功能有：接收操作主令，實(shí)現(xiàn)對被控對象的操作；采集被控對象的實(shí)時狀態(tài)，并進(jìn)行故障判斷及處理等功能；通過RS232接口與顯控機(jī)通信；與CAN總線的通信。顯控機(jī)的主要功能有：鍵盤操作，液晶顯示，時鐘控制，以及通過RS232接口與主控機(jī)通信。

　　2.3  智能節(jié)點(diǎn)軟件結(jié)構(gòu)

　　智能節(jié)點(diǎn)上的嵌入式測控軟件是在MCU裸機(jī)條件下開發(fā)設(shè)計(jì)的，是與系統(tǒng)硬件緊密配合并且相互依存,但獨(dú)立運(yùn)行的監(jiān)控程序。智能節(jié)點(diǎn)的軟件系統(tǒng)組態(tài)如圖3所示：

　　由圖3可知，智能節(jié)點(diǎn)的嵌入式應(yīng)用軟件軟件系統(tǒng)主要包括：通信模塊，人機(jī)交互模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，控制算法模塊，故障檢測及處理模塊等。對于智能節(jié)點(diǎn)的嵌入式應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件開發(fā)可在對PIC系列控制芯片的集成開發(fā)環(huán)境軟件 MPLAB IDE上完成的，采用 PC匯編指令集進(jìn)行底層系統(tǒng)的開發(fā)。

　　3智能節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)通信功能設(shè)計(jì)

　　CAN智能節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)功能主要采用事件驅(qū)動方式來實(shí)現(xiàn)，主流程一般是：初始化及自檢后進(jìn)入工作主循環(huán)，等待事件觸發(fā)，通過事件觸發(fā)調(diào)用各功能模塊。限于篇幅的關(guān)系（其它模塊實(shí)現(xiàn)的資料較多，就不在此敘述），這里只對雙機(jī)異步通信模塊和CAN通信模塊進(jìn)行詳細(xì)分析：

　　3.1  雙機(jī)異步通信模塊

　　（1）硬件設(shè)計(jì)

　　雙機(jī)異步通信模塊分別駐留主控機(jī)和顯控機(jī)上，實(shí)現(xiàn)雙機(jī)間的全雙工異步通信。這里異步通信是按照RS232協(xié)議要求來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。這里采用PIC系列芯片中串行通信接口SCI它是一個通用同步／異步收發(fā)器，簡稱為USART 。用USART的異步工作方式來實(shí)現(xiàn)雙機(jī)之間的RS232通信連接。MCU通過MAX232芯片將各自的輸出信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的RS232電平信號，同時將輸入信號轉(zhuǎn)換為單片機(jī)所需的信號。

　　 （2）通信軟件設(shè)計(jì)：

　　在通信軟件的設(shè)計(jì)分為兩個層次：一是底層通信，主要完成雙機(jī)的異步通信的物理上的連接；二是高層通信，主要是設(shè)計(jì)好的通信協(xié)議保證通信不會陷入死鎖，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用邏輯上的通信要求。

　　1）底層異步通信模塊，主要通過中斷方式來實(shí)現(xiàn)。USART異步收發(fā)器在完成收發(fā)緩沖寄存器中的一個字節(jié)的數(shù)據(jù)的通信任務(wù)后，置相應(yīng)的接收或發(fā)送中斷標(biāo)志位。若此時相應(yīng)的收發(fā)中斷使能位被置位的話，則程序會轉(zhuǎn)入接收或發(fā)送中斷服務(wù)程序來處理收發(fā)的數(shù)據(jù)。在收發(fā)中斷服務(wù)程序中，設(shè)置兩個緩沖區(qū)，采用循環(huán)隊(duì)列處理，用來緩存要發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)。在此中斷服務(wù)程序中，只完成將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和異步通信收發(fā)器的緩沖寄存器之間的數(shù)據(jù)傳遞，而對數(shù)據(jù)的處理交給高層的通信模塊來實(shí)現(xiàn)。

　　2）在高層的通信模塊中，只需發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)即可。為了方便，可將雙機(jī)間的所有通信任務(wù)組織成命令的形式；再將所有命令建立一張命令表格。若要增刪任何通信命令只需修改命令表的表項(xiàng)即可，對通信程序沒有任何影響。表格的內(nèi)容主要有：命令碼，命令參數(shù)個數(shù)，命令參數(shù)塊首地址，應(yīng)答參數(shù)個數(shù)，應(yīng)答參數(shù)塊首地址，命令處理程序入口。高層通信的基本過程主要通過接收及處理命令和發(fā)送命令處理兩模塊來實(shí)現(xiàn)。

　　接收及處理命負(fù)責(zé)接收和處理外部主機(jī)發(fā)來的命令及命令參數(shù)。輪循查詢外部主機(jī)是否有通信命令發(fā)送。若有，則接收命令子程序負(fù)責(zé)接收外部MCU芯片發(fā)送的命令及命令參數(shù)。在成功接收命令及命令參數(shù)后，向外部主機(jī)發(fā)送應(yīng)答信號，根據(jù)命令表中的命令轉(zhuǎn)到相應(yīng)的命令處理程序中進(jìn)行處理。

　　發(fā)送命令負(fù)責(zé)發(fā)送主機(jī)的命令及其命令參數(shù)。對要發(fā)送的命令字，首先查命令表得到命令表，通過異步通信口發(fā)送該命令碼；判斷該命令是否有命令參數(shù)，若有則繼續(xù)發(fā)送命令參數(shù)，沒有則設(shè)置超時事件；等待應(yīng)答信號，接收到應(yīng)答信號后；應(yīng)答參數(shù)接收完成后撤銷超時事件，則發(fā)送命令處理完成。

　　3.2 CAN通信模塊

　　（1）硬件設(shè)計(jì)

　　CAN通信模塊由主控機(jī)實(shí)現(xiàn)，通過MCU與CAN控制器相連，完成CAN總線通信的功能。由于PIC16F87X系列芯片沒有集成CAN功能模塊，因此通過SPI方式和MCP2510芯片相連接實(shí)現(xiàn)CAN通信。MCP2510是一種獨(dú)立的CAN總線控制器，可以通過SPI方式與單片機(jī)接口，它支持CAN技術(shù)規(guī)范2．OA／B。通過MCP2510控制器的SPI通信指令，就可以對MCP2510進(jìn)行操作控制，實(shí)現(xiàn)MCU與MCP2510控制器的SPI同步串行通信，實(shí)現(xiàn)CAN通信功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員只需對原有應(yīng)用軟件稍做修改就可以通過SPI接口和MCP2510進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

　　（2）通信軟件設(shè)計(jì)

　　CAN總線的通信功能的實(shí)現(xiàn)主要包括PIC微處理器與MCP2510的SPI通信接口，以及對MCP2510控制器的CAN總線的通信控制。對SPI同步通信方式實(shí)現(xiàn)，可將MCU設(shè)為主動方式，MCP2510設(shè)為從動方式，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)共用一個緩沖區(qū)，緩沖區(qū)采用循環(huán)隊(duì)列的形式進(jìn)行組織，由一指針指向它，MCU每發(fā)送一個數(shù)據(jù)就MCP2510交換數(shù)據(jù)，將其放入同一個存儲單元即可。

　　CAN總線控制器 MCP2510負(fù)責(zé)完成總線通信協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能，對于單片機(jī)應(yīng)用程序，只需要在發(fā)送接收模塊編寫中寫入相應(yīng)的配置參數(shù)即可。要發(fā)送時，只需將發(fā)送的內(nèi)容寫入發(fā)送緩沖區(qū)并觸發(fā)一次發(fā)送請求，即可完成一次發(fā)送過程；當(dāng)總線收發(fā)器收到數(shù)據(jù)時，啟動一次發(fā)向單片機(jī)的外部中斷，或由單片機(jī)定時查詢收發(fā)器上相應(yīng)狀態(tài)位，然后通過SPI串行口訪問MCP2510控制芯片的外部寄存器的讀寫、控制操作。

　　4結(jié)束語

　　本文基于CAN總線的分布式嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)中的智能節(jié)點(diǎn)，給出系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型及智能節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)對對系統(tǒng)通信至關(guān)重要的雙機(jī)異步通信和CAN通信進(jìn)行了分析。總之，在將來的工業(yè)控制領(lǐng)域中，現(xiàn)場總線技術(shù)將會是主流，對基于現(xiàn)場總線的工業(yè)底層控制網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場智能節(jié)點(diǎn)研究具有一定的意義。

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