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1 引言 隨著工業規模的擴大，工業控制系統的信息集成程度也越來越高。基于網絡的現場總線控制系統為信息的集成提供了有效技術保證。現場總線是應用在制造或過程區域現場裝置與控制室內自動控制裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線，也被稱為開放式、數字化、多點通信的底層控制網絡。以現場總線為核心的工業控制系統，稱為現場總線控制系統。本文主要設計了 CAN 總線測控系統中的 DSP 下位機現場測控裝置及通信軟件。 2 測控節點的總體設計 本文所討論的測控系統是以 CAN 總線為基礎，結合 PC 機和 DSP 測控節點來完成數據的采集工作的。因此 CAN 總線上的測控節點具有很重要的作用。節點結構框圖如圖 1。 圖 1 節點結構框圖 網絡節點，可以采用單獨的微控制器、CAN 控制器和 CAN 收發器組合而成，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。節點控制器的選擇有兩種方案，一種是選擇 MCS196 等單片機，但是必須在外部擴充高精度的 A/D 轉換器、CAN 通信模塊、定時器等模塊，處理數據能力較低。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。因為 TMS320LF2407 具有較高的 運行速度和數據處理能力，因此，在本系統中采用 TMS320LF2407 作為節點的微處理器。 3 CAN 總線接口電路及工作原理 TMS320LF2407 與物理總線之間通過 CAN 總線收發接口電路來連接。從 CAN2.0 協議 的特征可知，一條總線上節點數可以無限多，但要受到總線驅動能力限制，考慮這一點，設計中采用收發驅動芯片方案。本文選用 Philips 公司的 CAN 總線驅動器 82C250。CAN 總線驅動器提供了 CAN 控制器與物理總線之間的接口，是影響網絡性能的關鍵因素之一。它最初是為汽車中的高速應用(達1Mbps)而設計的。器件可以提供對總線的差動發送和接收能力。 圖 2 硬件接口電路圖 以 TMS320LF2407 為核心芯片，PCA82C250 為驅動 CAN 控制器和物理總線間的接口， 對總線提供差動發送能力，對 CAN 控制器提供差動接收能力。因為 TMS320LF2407 用 3.3V 的電壓，PCA82C250 用 5V 的電壓，所以需要電平轉換。圖中：R2、R3、R4 和二極管 D 組成的電路為電平轉換電路，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的抗干擾能力，可以在 CAN 總線收發器 PCA82BC250 前增加 2 個 高速光電隔離器件 6N137 芯片，實現總線與控制器的隔離，可以保護總線不受瞬態沖擊的影響，并可提高節點的總線驅動能力。 4 軟件設計 圖 3 從節點主程序流程圖 節點的軟件設計主要包括四大部分：CAN 現場智能測控裝置初始化、報文查詢發送及中斷接收、用戶 A/D、D/A 轉換子程序即協議實現程序。其主程序的實現流程如圖 3 所示。 本測控裝置的節點通信軟件采用的語言是 DSP 的 C 語言嵌入匯編語言，因為在用 C 語言開發 DSP 應用程序時，可能會遇到一些對實時性要求較高或是需要對 DSP 的底層資源進行操作的場合。這時如果用 C 語言編寫相應的代碼就會給開發帶來一定的難度，甚至某些操作 C 語言根本就無法實現。這時，就需要在 C 語言中嵌入匯編語言。 4.1 節點的通信初始化流程 CAN 現場測控裝置節點的初始化主要包括：系統初始化、CAN 初始。系統初始化包括開中斷優先級、清中斷標志等。CAN 初始化主要包括：局部接收屏蔽寄存器的設置、主控制寄存器的設置、郵箱方向控制寄存器的設置、波特率參數設置、郵箱標識符的設置、郵箱的設置和中斷允許寄存器的設置等。 1、位定時器的初始化 在對位定時器(BCR1 和 BCR2)進行初始化時，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，并對全局狀態寄存器 GSR 中的 CCE(改變配置始能位)置 1，方可進行下面的初始化。因為此時 CAN 控制器處于脫離 CAN 總線狀態，因此當配置完位定時器后，將 CCR 位清零，使 CAN 控制器恢復總線。CAN 控制器波特率的計算方法如下： 波特率=ICLK/ [(BRP+l)+Bit Time] 其中：TCLK 為 CAN 控制器的時鐘頻率，也就是 DSP 的系統頻率。BRP 為波特率預分頻位，決定CAN 控制器的時間片(TQ)。TQ= (BPR+1)/ ICLK 位時間(Bit Time)=(TSEGl+1)+(TSEG2+1) +1 TSEG1 為時間段1，可編程為 3 到 16 個 TQ 時間片。TSEG2 為時間片 2，可編程為 2到 8 個 TQ 時間片，但必須滿足小于或等于時間段 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 信息的發送與接收 本系統中數據的傳輸速率設置為 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，用于接收上位機發來的控制命令。郵箱 0 用來接收上位機發來的節點參數，節點可根據這些參數來重新配置節點的信息。將郵箱3配置為發送郵箱，這個郵箱用于節點給上位機發送信息。 4.2.1 CAN 發送程序 數據從 CAN 控制器發送到 CAN 總線是由控制器自動完成的，所以 DSP 在發送數據時只需把要發送的數據幀發送到 CAN 的發送區(郵箱 3)，然后將發送控制寄存器中的相應位置1 即可啟動發送命令，當 CAN 控制器將數據成功發送后會將發送控制寄存器中的發送成功 標志位置 1，通過判斷這一位是否為 1，用戶即可知數據是否發送。如果發送的數據非常大，可以用郵箱 4 或 5，郵箱輪流發送，一個郵箱發送完成即啟動另一個郵箱。由于 DSP 的在片 ADC 模塊是 10 位的，即采集到的數據為10 位，而郵箱為 16 位，為此我們在發送數據時，將采樣的結果通過移位后將多個采樣結果合在一起發送，可減少所發送的幀。 4.2.2 CAN 接收程序 本系統中幀的接收以中斷方式。CAN 控制器在接收信息時，先將要接收的信息的標識符與相應的接收郵箱的標識符進行比較，只有標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識符不相符，則接收郵箱仍可接收此信息。當接收屏蔽使能位為 0 時，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 現場測控裝置的中斷服務程序，包括接收數據中斷并保存接收到的數據，同時處理相應的錯誤中斷。當主節點(PC 機)向從節點(現場測控裝置)發送請求數據命令時，從節點即產生接收數據中斷。進入中斷服務程序后首先保護現場，然后 CPU 讀出接收緩沖區的內容，最后恢復現場、中斷返回后調協議分析程序。 4.2.3 協議實現程序 中斷服務程序結束后，讀出節點 ID，并讀出命令內容，進行任務分析，根據任務分析的結果確定數據發送任務，并向主節點發送數據。其協議實現程序框圖如圖 5 所示。 圖 5 節點協議實現框圖 4.2.4 用戶子程序設計 對從節點子程序的設計，主程序通過調用子程序即可完成，這樣減少了程序重復編寫。 子程序的模數轉換是利用 TMS320LF2407 內部的模數轉換模塊，避免了芯片的外擴的工作。A/D 轉換是采用定時中斷的方式，這里用定時器 3。 本文作者創新點： 本文從軟硬件方面詳細描述了基于 DSP 現場硬件智能測控裝置及通訊軟件的設計。其中從節點通訊軟件主要包括：CAN 現場智能測控裝置初始化，報文發送及中斷接收。 |
