一種基于CAN總線的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計及位定時分析

　　引言

　　can(controller area network)即控制器局域網(wǎng)，是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。與一般的總線通信相比，can的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。本課題設(shè)計了一種基于can總線的監(jiān)控系統(tǒng)，并對位定時這一關(guān)鍵問題進行了詳細的闡述。借助該系統(tǒng)，使用者可以實現(xiàn)對can網(wǎng)絡(luò)的實時監(jiān)控，并可對系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化。

　　監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

　　整個監(jiān)控系統(tǒng)(如圖1)是一個分布式控制系統(tǒng)，由三部分組成：上位機、轉(zhuǎn)換模塊、can節(jié)點。上位機負責監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行狀況;轉(zhuǎn)換模塊作為各個節(jié)點與上位機的通信中介，實現(xiàn)上位機與節(jié)點間的雙向通信;各個can節(jié)點均可以在任意時刻，遵循通信協(xié)議完成上傳信息和執(zhí)行控制命令等任務。

　　can節(jié)點接口電路設(shè)計

　　can總線上各節(jié)點均采用atmel公司生產(chǎn)的8位單片機為主控器，除完成節(jié)點自身的控制功能外，還與can控制器sja1000配合以實現(xiàn)can網(wǎng)絡(luò)通信功能。

　　設(shè)計中選擇sja1000控制器并采用其性能優(yōu)越的pelican擴展模式。can收發(fā)器tja1050是philips公司生產(chǎn)的高速can總線驅(qū)動器。tja1050具有速率高、低功耗、電磁性能優(yōu)越等特點。can接口電路如圖2所示。

　　節(jié)點模塊中采用高速光耦來實現(xiàn)收發(fā)器與控制器之間的電氣隔離，抗干擾。光耦選擇高速器件tlp113以滿足在最高速率500kbps下的電氣響應。采用dc/dc模塊提供5v電源并實現(xiàn)系統(tǒng)電源與網(wǎng)絡(luò)電源之間電氣隔離措施。為了確保該系統(tǒng)的安全，在dc/dc模塊及系統(tǒng)的輸入和輸出端增加tvs保護。

　　系統(tǒng)通信的實現(xiàn)

　　can控制器協(xié)議

　　can控制器實現(xiàn)的串口通信網(wǎng)絡(luò)遵循osi模型，劃分為兩層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。物理層按照ieee802.3lan標準構(gòu)造，實現(xiàn)將數(shù)據(jù)發(fā)送到傳輸介質(zhì)上和接收數(shù)據(jù)流的功能。在數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)比特流的拼裝。can通信協(xié)議約定了4種不同的幀格式，本系統(tǒng)中使用標準幀格式，其格式如表1。can首先接收到仲裁場，根據(jù)仲裁場的內(nèi)容判斷所接收到的信號是哪種幀格式，用戶將相應的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)場中進行發(fā)送，或從數(shù)據(jù)場中讀取接收到的數(shù)據(jù)。

　　can應用層協(xié)議

　　在can 2.0規(guī)范中，只對物理層和數(shù)據(jù)鏈路層作了規(guī)定，用戶需要根據(jù)自己的需求制定應用層協(xié)議。本設(shè)計以各個節(jié)點為控制對象，設(shè)計其應用層通信協(xié)議。can總線上傳輸?shù)男畔⒁话憧煞譃?類：

　　命令信息：包括上位機要數(shù)命令、上位機控制命令。每周期上位機經(jīng)can—rs232轉(zhuǎn)換模塊下發(fā)至各個節(jié)點要數(shù)命令。上位機接到狀態(tài)信息后，根據(jù)情況下發(fā)控制命令，經(jīng)由轉(zhuǎn)換模塊下發(fā)至各個節(jié)點模塊。

　　狀態(tài)信息。節(jié)點接到命令信息后，由各個節(jié)點采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息，發(fā)送到can—rs232轉(zhuǎn)換模塊，再由其上傳給上位機。信息包括：設(shè)備開關(guān)狀態(tài)，電壓電流量等。

　　根據(jù)系統(tǒng)實際情況，本系統(tǒng)can2.0標準幀格式的基礎(chǔ)上(見表2)，制定了一個多幀傳輸?shù)膽脤訁f(xié)議。協(xié)議中，實用軟件濾波，即屏蔽了驗收濾波器，將除了幀信息外，包括11位標識符的第二、三字節(jié)都進行了分配，如表3所示。

　　其中，幀信息可以根據(jù)實際情況而定。

　　標識符id10～id3代表模塊地址，所以協(xié)議理論上可滿足256個控制節(jié)點，標識符id2、id0以及該字節(jié)后六位定義為幀類型：命令幀或狀態(tài)幀，數(shù)據(jù)信息這樣劃分簡單明了。上位機根據(jù)模塊地址收集判斷節(jié)點信息，并下發(fā)相應命令。協(xié)議還規(guī)定，按優(yōu)先權(quán)由高到低，從低向高為模塊分配地址，以保證總線競爭中優(yōu)先權(quán)高的節(jié)點能更先占有總線。

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　基于總體設(shè)計要求和硬件組成，結(jié)合can總線協(xié)議的模型結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計可以分為兩部分：節(jié)點部分、上位機部分。

　　節(jié)點部分包括：初始化模塊，can通信模塊，串行通信模塊，數(shù)據(jù)處理模塊。正確的can初始化，可以充分利用can總線的優(yōu)勢，保證can通信正確可靠工作。對can節(jié)點初始化只有在復位模式下才可以進行，初始化主要包括工作方式的設(shè)置、接收濾波方式的設(shè)置、接收屏蔽寄存器(amr)的設(shè)置、接收代碼寄存器(acr)的設(shè)置、波特率參數(shù)設(shè)置和中斷允許寄存器(ier)的設(shè)置等。在完成can控制器的初始化設(shè)置以后，can控制器就可以回到工作狀態(tài)，執(zhí)行正常的通信任務。其他模塊，不再詳述。

　　上位機部分：上位機軟件由vc++6.0軟件編寫，應用mfc類庫編寫并生成了具有windows風格的人機交互界面。軟件應用mscomm控件通過串行端口傳輸和接收數(shù)據(jù)，為應用程序提供了串行通訊功能。microsoft communications control(mscomm)是microsoft公司提供的簡化windows下串行通信編程的activex控件，為應用程序提供了通過串行接口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡便方法。具體來說，它提供了兩種處理通信問題的方法：一是事件驅(qū)動(event-driven)方法，一是查詢法。我們采用事件驅(qū)動方式。使用者可以通過良好的人機界面對整個系統(tǒng)進行實時監(jiān)控。

　　位周期參數(shù)確定

　　在初始化can控制器的時候，要考慮配置總線時序寄存器的配置等重要問題。事實上，can通信協(xié)議中規(guī)定、通信波特率、位周期的取樣點以及取樣個數(shù)均可以自主設(shè)定，這樣為用戶在網(wǎng)絡(luò)通訊性能的優(yōu)化上提供了空間。如果位周期采樣點偏后，可以接受較大的信號傳輸延遲，相應總線的傳輸距離可以延長;如果周期的取樣點接近中間，則可以容忍系統(tǒng)節(jié)點間的參考時鐘誤差。這些矛盾直接影響了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能，所以總線位定時非常重要，合理的位定時可以提高系統(tǒng)的整體性能。

　　can 總線周期由4個部分組成： 同步段(sync_seg) 、傳播延時段、相位緩沖段1 ( phase_seg1) 和相位緩沖段2 (phase_ seg2) ，如表4所示。

　　同步機制

　　can是有效支持分布式實時控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)。從位定時的同步方式考慮，它實質(zhì)上屬于異步通訊協(xié)議，每傳輸一幀，以幀起始位開始，而以幀結(jié)束及隨后的間歇場結(jié)束。這就要求收/發(fā)雙方從幀起始位開始必須保持幀內(nèi)信息代碼中的每一位嚴格的同步。從位定時編碼考慮，它采用的是非歸零編碼方式，位流傳輸不像差分碼那樣可以直接用電平的變化來代表同步信號，它屬于自同步方式(接收端設(shè)法從收到的信號中提取同步信息的方式)，can節(jié)點從一個位值到另一個位值的轉(zhuǎn)變中提取時鐘信息。為保證同步質(zhì)量，can協(xié)議定義了自己的位同步方式：硬同步和重同步。

　　通過同步機制，可以消除由于相位誤差帶來的影響，保證信息正確解碼。硬同步后，內(nèi)部的位時間從同步段重新開始。因此，硬同步強迫同步沿處于重新開始的位時間同步段之內(nèi)。重新同步的結(jié)果使相位緩沖段1增長，或使相位緩沖段2縮短。相位緩沖段加長或縮短的數(shù)量有上限，此上限由重新同步跳轉(zhuǎn)寬度給定。

　　一個沿的相位誤差由相關(guān)同步段的沿的位置給出。相位誤差定義如下：

　　le = 0如果沿處于同步段里;

　　le 》 0 如果沿處于采集點之前;

　　le 《 0 如果沿處于前一個位的采集點之后。

　　當引起重新同步沿的相位誤差的幅值小于或者等于重新同步跳轉(zhuǎn)寬度的設(shè)定值時，重新同步和硬同步的作用相同。當相位錯誤的量級大于重新同步跳轉(zhuǎn)寬度時有2種情況：

　　如果相位誤差為正，則相位緩沖段1被增長，增長的范圍與重新同步跳轉(zhuǎn)寬度相同;

　　如果相位誤差為負，則相位緩沖段2被縮短，縮短的范圍與重新同步跳轉(zhuǎn)寬度相同。

　　硬同步和重新同步是同步的2種形式，遵循以下規(guī)則：

　　在一個位時間里只允許一個同步;

　　僅當采集點之前探測到的值與緊跟沿之后的總線值不相符合時，才把沿用作于同步;

　　總線空閑期間，有一“隱性”轉(zhuǎn)變到“顯性”的沿，無論何時，硬同步都會被執(zhí)行。

位時間參數(shù)計算規(guī)則

　　位時間參數(shù)計算規(guī)則是為保證系統(tǒng)在極端惡劣條件的兩個節(jié)點間，能夠正確接受并解碼網(wǎng)絡(luò)上的信息幀。極端惡劣條件是指這兩個節(jié)點的鐘振偏差在系統(tǒng)容忍偏差極限的兩端，并且兩個節(jié)點間具有最大的傳輸延遲。在沒有噪音干擾的正常通信情況下，相位誤差累計的最壞情況是：重同步邊沿之間間隔有10個位周期（5個顯性位后跟5個隱性位）。實際系統(tǒng)都運行在噪音環(huán)境中。由于噪音干擾，可能會導致重同步邊沿之間的間隔超過10個位周期，在這種情況下必須進行嚴格的采用，否則可能進入錯誤處理模式。本監(jiān)控系統(tǒng)各節(jié)點模塊是以sja1000作為can控制器的。所以，考慮各方面的影響，位定時參數(shù)在只有1個取樣點時的公式設(shè)置如下：

　　（ sjw） min =max{（20×nbt×δf）/（1 - δf） ，（（nbt（1-25×δf ）- prop max -（1 -δf）+prop min/2））/（1-δf）}

　　（ s j w） max = 4

　　t（seg2） min = max{2 ， s j w}

　　t（seg2） max =min{8，（（n b t （1-25×δf ） - （ pro p） max）/

　　（1 - δf）， （nb t（1 - 25×δf） - （ pro p）

　　max - （1-δf） + prop min ）/ 2） / （1-δf ）

　　以上所述為位時間參數(shù)的計算規(guī)則，在實際監(jiān)控系統(tǒng)中，以此規(guī)則根據(jù)適當?shù)姆椒ㄟM行位定時參數(shù)確定和優(yōu)化，使系統(tǒng)性能達到最優(yōu)。

結(jié)語

　　現(xiàn)場總線系統(tǒng)用開放的現(xiàn)場總線控制通信網(wǎng)絡(luò)將自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設(shè)備互連的實時網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。是工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展的一個新的階段。本文所設(shè)計的基于can總線的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計簡單方便，性能穩(wěn)定，能很好的滿足控制系統(tǒng)對實時性和可靠性的要求，并在現(xiàn)場運行，效果良好。