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1 引言 隨著工業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，工業(yè)控制系統(tǒng)的信息集成程度也越來越高�；诰W(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)為信息的集成提供了有效技術(shù)保證�，F(xiàn)場總線是應(yīng)用在制造或過程區(qū)域現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。以現(xiàn)場總線為核心的工業(yè)控制系統(tǒng)，稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。本文主要設(shè)計(jì)了 CAN 總線測控系統(tǒng)中的 DSP 下位機(jī)現(xiàn)場測控裝置及通信軟件。 2 測控節(jié)點(diǎn)的總體設(shè)計(jì) 本文所討論的測控系統(tǒng)是以 CAN 總線為基礎(chǔ)，結(jié)合 PC 機(jī)和 DSP 測控節(jié)點(diǎn)來完成數(shù)據(jù)的采集工作的。因此 CAN 總線上的測控節(jié)點(diǎn)具有很重要的作用。節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1。 圖 1 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，可以采用單獨(dú)的微控制器、CAN 控制器和 CAN 收發(fā)器組合而成，也可以將微控制器和 CAN 控制器集成在一起的帶有在片 CAN 的微控制器。節(jié)點(diǎn)控制器的選擇有兩種方案，一種是選擇 MCS196 等單片機(jī)，但是必須在外部擴(kuò)充高精度的 A/D 轉(zhuǎn)換器、CAN 通信模塊、定時(shí)器等模塊，處理數(shù)據(jù)能力較低。而另一種方案采用具有在片 CAN 的微處理 器，如 PHILIPS 的 81C90/91、TMS320LF2407 處理器等。因?yàn)?TMS320LF2407 具有較高的 運(yùn)行速度和數(shù)據(jù)處理能力，因此，在本系統(tǒng)中采用 TMS320LF2407 作為節(jié)點(diǎn)的微處理器。 3 CAN 總線接口電路及工作原理 TMS320LF2407 與物理總線之間通過 CAN 總線收發(fā)接口電路來連接。從 CAN2.0 協(xié)議 的特征可知，一條總線上節(jié)點(diǎn)數(shù)可以無限多，但要受到總線驅(qū)動能力限制，考慮這一點(diǎn)，設(shè)計(jì)中采用收發(fā)驅(qū)動芯片方案。本文選用 Philips 公司的 CAN 總線驅(qū)動器 82C250。CAN 總線驅(qū)動器提供了 CAN 控制器與物理總線之間的接口，是影響網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵因素之一。它最初是為汽車中的高速應(yīng)用(達(dá)1Mbps)而設(shè)計(jì)的。器件可以提供對總線的差動發(fā)送和接收能力。 圖 2 硬件接口電路圖 以 TMS320LF2407 為核心芯片，PCA82C250 為驅(qū)動 CAN 控制器和物理總線間的接口， 對總線提供差動發(fā)送能力，對 CAN 控制器提供差動接收能力。因?yàn)?TMS320LF2407 用 3.3V 的電壓，PCA82C250 用 5V 的電壓，所以需要電平轉(zhuǎn)換。圖中：R2、R3、R4 和二極管 D 組成的電路為電平轉(zhuǎn)換電路，R1 為 CAN 終端匹配電阻。接口電路如圖 2 所示。 如果考慮到提高系統(tǒng)的抗干擾能力，可以在 CAN 總線收發(fā)器 PCA82BC250 前增加 2 個(gè) 高速光電隔離器件 6N137 芯片，實(shí)現(xiàn)總線與控制器的隔離，可以保護(hù)總線不受瞬態(tài)沖擊的影響，并可提高節(jié)點(diǎn)的總線驅(qū)動能力。 4 軟件設(shè)計(jì) 圖 3 從節(jié)點(diǎn)主程序流程圖 節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要包括四大部分：CAN 現(xiàn)場智能測控裝置初始化、報(bào)文查詢發(fā)送及中斷接收、用戶 A/D、D/A 轉(zhuǎn)換子程序即協(xié)議實(shí)現(xiàn)程序。其主程序的實(shí)現(xiàn)流程如圖 3 所示。 本測控裝置的節(jié)點(diǎn)通信軟件采用的語言是 DSP 的 C 語言嵌入?yún)R編語言，因?yàn)樵谟?C 語言開發(fā) DSP 應(yīng)用程序時(shí)，可能會遇到一些對實(shí)時(shí)性要求較高或是需要對 DSP 的底層資源進(jìn)行操作的場合。這時(shí)如果用 C 語言編寫相應(yīng)的代碼就會給開發(fā)帶來一定的難度，甚至某些操作 C 語言根本就無法實(shí)現(xiàn)。這時(shí)，就需要在 C 語言中嵌入?yún)R編語言。 4.1 節(jié)點(diǎn)的通信初始化流程 CAN 現(xiàn)場測控裝置節(jié)點(diǎn)的初始化主要包括：系統(tǒng)初始化、CAN 初始。系統(tǒng)初始化包括開中斷優(yōu)先級、清中斷標(biāo)志等。CAN 初始化主要包括：局部接收屏蔽寄存器的設(shè)置、主控制寄存器的設(shè)置、郵箱方向控制寄存器的設(shè)置、波特率參數(shù)設(shè)置、郵箱標(biāo)識符的設(shè)置、郵箱的設(shè)置和中斷允許寄存器的設(shè)置等。 1、位定時(shí)器的初始化 在對位定時(shí)器(BCR1 和 BCR2)進(jìn)行初始化時(shí)，首先注意要對 CAN 模塊主控制寄存器 MCR 中的 CCR(改變配置請求位)置 1，并對全局狀態(tài)寄存器 GSR 中的 CCE(改變配置始能位)置 1，方可進(jìn)行下面的初始化。因?yàn)榇藭r(shí) CAN 控制器處于脫離 CAN 總線狀態(tài)，因此當(dāng)配置完位定時(shí)器后，將 CCR 位清零，使 CAN 控制器恢復(fù)總線。CAN 控制器波特率的計(jì)算方法如下： 波特率=ICLK/ [(BRP+l)+Bit Time] 其中：TCLK 為 CAN 控制器的時(shí)鐘頻率，也就是 DSP 的系統(tǒng)頻率。BRP 為波特率預(yù)分頻位，決定CAN 控制器的時(shí)間片(TQ)。TQ= (BPR+1)/ ICLK 位時(shí)間(Bit Time)=(TSEGl+1)+(TSEG2+1) +1 TSEG1 為時(shí)間段1，可編程為 3 到 16 個(gè) TQ 時(shí)間片。TSEG2 為時(shí)間片 2，可編程為 2到 8 個(gè) TQ 時(shí)間片，但必須滿足小于或等于時(shí)間段 1。 2、CAN 初始化。對 CAN 控制器的訪問是以外部存儲器的方式。 4.2 CAN 信息的發(fā)送與接收 本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的傳輸速率設(shè)置為 1Mbps，將郵箱 0、2 配置為接收郵箱，其中郵箱 2 為 命令信息專用郵箱，用于接收上位機(jī)發(fā)來的控制命令。郵箱 0 用來接收上位機(jī)發(fā)來的節(jié)點(diǎn)參數(shù)，節(jié)點(diǎn)可根據(jù)這些參數(shù)來重新配置節(jié)點(diǎn)的信息。將郵箱3配置為發(fā)送郵箱，這個(gè)郵箱用于節(jié)點(diǎn)給上位機(jī)發(fā)送信息。 4.2.1 CAN 發(fā)送程序 數(shù)據(jù)從 CAN 控制器發(fā)送到 CAN 總線是由控制器自動完成的，所以 DSP 在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)只需把要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀發(fā)送到 CAN 的發(fā)送區(qū)(郵箱 3)，然后將發(fā)送控制寄存器中的相應(yīng)位置1 即可啟動發(fā)送命令，當(dāng) CAN 控制器將數(shù)據(jù)成功發(fā)送后會將發(fā)送控制寄存器中的發(fā)送成功 標(biāo)志位置 1，通過判斷這一位是否為 1，用戶即可知數(shù)據(jù)是否發(fā)送。如果發(fā)送的數(shù)據(jù)非常大，可以用郵箱 4 或 5，郵箱輪流發(fā)送，一個(gè)郵箱發(fā)送完成即啟動另一個(gè)郵箱。由于 DSP 的在片 ADC 模塊是 10 位的，即采集到的數(shù)據(jù)為10 位，而郵箱為 16 位，為此我們在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將采樣的結(jié)果通過移位后將多個(gè)采樣結(jié)果合在一起發(fā)送，可減少所發(fā)送的幀。 4.2.2 CAN 接收程序 本系統(tǒng)中幀的接收以中斷方式。CAN 控制器在接收信息時(shí)，先將要接收的信息的標(biāo)識符與相應(yīng)的接收郵箱的標(biāo)識符進(jìn)行比較，只有標(biāo)識符相同的信息才能被接收。CAN 控制器的接收濾波器使接收郵箱可以忽略更多的位來接收信息，即如果只有被屏蔽的那幾位標(biāo)識符不相符，則接收郵箱仍可接收此信息。當(dāng)接收屏蔽使能位為 0 時(shí)，則局部接收屏蔽寄存器不起作用。CAN 的接收流程圖如圖 4 所示。 圖 4 CAN 接收流程圖 現(xiàn)場測控裝置的中斷服務(wù)程序，包括接收數(shù)據(jù)中斷并保存接收到的數(shù)據(jù)，同時(shí)處理相應(yīng)的錯(cuò)誤中斷。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)(PC 機(jī))向從節(jié)點(diǎn)(現(xiàn)場測控裝置)發(fā)送請求數(shù)據(jù)命令時(shí)，從節(jié)點(diǎn)即產(chǎn)生接收數(shù)據(jù)中斷。進(jìn)入中斷服務(wù)程序后首先保護(hù)現(xiàn)場，然后 CPU 讀出接收緩沖區(qū)的內(nèi)容，最后恢復(fù)現(xiàn)場、中斷返回后調(diào)協(xié)議分析程序。 4.2.3 協(xié)議實(shí)現(xiàn)程序 中斷服務(wù)程序結(jié)束后，讀出節(jié)點(diǎn) ID，并讀出命令內(nèi)容，進(jìn)行任務(wù)分析，根據(jù)任務(wù)分析的結(jié)果確定數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)，并向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。其協(xié)議實(shí)現(xiàn)程序框圖如圖 5 所示。 圖 5 節(jié)點(diǎn)協(xié)議實(shí)現(xiàn)框圖 4.2.4 用戶子程序設(shè)計(jì) 對從節(jié)點(diǎn)子程序的設(shè)計(jì)，主程序通過調(diào)用子程序即可完成，這樣減少了程序重復(fù)編寫。 子程序的模數(shù)轉(zhuǎn)換是利用 TMS320LF2407 內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，避免了芯片的外擴(kuò)的工作。A/D 轉(zhuǎn)換是采用定時(shí)中斷的方式，這里用定時(shí)器 3。 本文作者創(chuàng)新點(diǎn)： 本文從軟硬件方面詳細(xì)描述了基于 DSP 現(xiàn)場硬件智能測控裝置及通訊軟件的設(shè)計(jì)。其中從節(jié)點(diǎn)通訊軟件主要包括：CAN 現(xiàn)場智能測控裝置初始化，報(bào)文發(fā)送及中斷接收。 |
