引言

現(xiàn)場總線是當今自動化領域技術發(fā)展的一個熱點，被譽為自動化領域的計算機局域網。它的出現(xiàn)，標志著工業(yè)控制技術領域又一個新時代的開始，并對該領域的發(fā)展產生了重要的影響。控制器局域網CAN（Controller Aera Network）屬于現(xiàn)場總線的范疇，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有極高的可靠性、實時性和靈活性的特點，是一種有效支持集散控制系統(tǒng)和實時控制的多主串行總線。

1. 基于CAN總線的集散控制系統(tǒng)

圖1 基于CAN總線的集散控制系統(tǒng)

基于CAN總線的集散控制系統(tǒng)如圖1所示，采用現(xiàn)場總線式控制系統(tǒng)FCS（Fieldbus Control System）結構，由上位機、CAN總線控制網絡、CAN智能節(jié)點組成。上位機主要完成在線系統(tǒng)監(jiān)控，上位機通過CAN適配卡與CAN總線相連;CAN智能節(jié)點完成數(shù)據(jù)采集及計算、節(jié)點設定、節(jié)點控制、運行顯示等。上位機和智能節(jié)點之間通過CAN現(xiàn)場總線交換各種數(shù)據(jù)和管理控制信息。

2. CAN的性能特點

CAN為多主方式工作，網絡上任一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網絡上其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，通訊方式靈活，且無需站地址等節(jié)點信息。

CAN網絡上的節(jié)點信息分成不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實時要求，高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)最多可在134μs內得到傳輸。

CAN采用非破壞性總線仲裁技術，當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動的退出發(fā)送，而優(yōu)先級較高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間。

CAN只需要通過報文濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無需專門的“調度”。

CAN的直接通信距離最遠可達10km（速率5kbps以下）;通信速率最高可達1Mbps（此時通信距離最長為40m）。

CAN上的節(jié)點數(shù)主要取決于總線驅動電路，目前可達110個，報文標識符可達2032種（CAN2.0A），而擴展標準（CAN2.0B）的報文標識符幾乎不受限制。

CAN采用短幀結構，傳輸時間短，受干擾概率低，具有極好的檢錯效果。

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

CAN通信介質可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。

CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響。

3. CAN智能節(jié)點硬件設計

目前常用的CAN器件分為兩大類，一類是獨立的CAN控制器，如Philips的PCA82C250、SJA1000等，另一類是帶有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總線智能節(jié)點的設計。

圖2 CAN智能節(jié)點硬件電路

CAN智能節(jié)點硬件電路如圖2所示。電路主要由五部分組成：微控制器87C196KD、獨立CAN控制器SJA1000、CAN總線收發(fā)器82C250、高速光電耦合器6N137、復位電路。

微控制器87C196KD是CAN智能節(jié)點的核心部分，87C196KD具有32K字節(jié)的ROM和1000字節(jié)的RAM，可用高級語言編程。87C196KD主要完成節(jié)點數(shù)據(jù)采集及計算、節(jié)點設定、節(jié)點控制、運行顯示等功能，并與CAN控制器SJA1000之間發(fā)送、接收數(shù)據(jù)。

SJA1000芯片是一種應用廣泛、性能優(yōu)異的CAN總線控制器。SJA1000負責完成CAN總線通信協(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工作模式支持擴展幀，報文標識符可達29位，提供了更加強大的功能。為減少每幀非數(shù)據(jù)字符的數(shù)量，提高信息交換速度，在實際應用中宜采用Basicmode模式。在Basicmode模式下，SJA1000對于微處理器來說相當于一個存儲器映像外圍設備，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），采用并口連接方式，數(shù)據(jù)讀寫速度快。87C196KD 地址總線的P4.6、P4.7通過譯碼器與SJA1000的片選信號CS相連，SJA1000的RD、WR、ALE分別與87C196KD的RD、WR、ALE相連， SJA1000的INT經過非門與87C196KD的EXINT相連， 微控制器也可以通過中斷的方式訪問CAN控制器。

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

為了進一步提高系統(tǒng)抗干擾能力，在CAN控制器SJA1000和CAN總線收發(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，這樣就很好的實現(xiàn)了總線上各個CAN節(jié)點之間的 器隔離。

復位電路由看門狗MAX706和手動復位按扭組成。當系統(tǒng)發(fā)生故障時，MAX706自動產生復位信號給87C196KD和SJA1000復位，若想重新啟動程序，可用手動復位按扭復位。

4. CAN智能節(jié)點軟件設計

CAN智能節(jié)點的軟件設計主要包括三部分：CAN初始化程序、報文發(fā)送程序、報文接收程序。下面給出了Basic CAN模式CAN智能節(jié)點軟件的程序框圖和C語言源程序。

a.CAN初始化部分

#include 《80c196kd.h》

/＊ 應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; /＊報文標識符＊/

unsigned char rtr; /＊遠程幀位＊/

unsigned char dlen; /＊數(shù)據(jù)長度＊/

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

｝ MSG_STRUCT; /＊將CAN協(xié)議的幀用C語言的結構表示＊/

void init_can（）

｛

＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 0） = 0x01; /＊SJA1000進入復位狀態(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; /＊ 初始化總線時序寄存器BTR0 ＊/

＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 7） = 0x14; /＊ 初始化總線時序寄存器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; /＊標識符送識別碼寄存器＊/

＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 10） = v;

v=＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 10）;

v=smsg.id & 7; /＊識別碼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; /＊遠程幀＊/

rmsg.id = buf1; /＊取出報文標識符＊/

rmsg.id 《《= 3;

rmsg.id |= （buf2 》》 5） & 0x06;

switch （rmsg.id） /＊按標識符轉入不同的數(shù)據(jù)處理程序＊/

case ……

｛……

……｝

break;

case ……

｝

｝

5. 結束語

本文的創(chuàng)新點在于：將現(xiàn)場總線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)的實時性不強，通訊可靠性差的問題。所給出的CAN智能節(jié)點已應用于某發(fā)電廠的集散控制系統(tǒng)中，經過一年多的運行情況發(fā)現(xiàn)該設計方案具有較好的可靠性、實時性和靈活性。CAN智能節(jié)點不僅可以應用于集散控制系統(tǒng)，還可以用于其它分布式控制系統(tǒng)。

責任編輯：gt