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為了解決在工業生產中遇到的現場檢測信息的采集、處理和同步等問題，提出了實現過程分析儀器CAN 總線網絡通信的方法。根據項目的設計要求，制定了適用的CAN 應用層協議，編寫了各個節點的通信程序，在試驗中取得了良好的效果。分析儀器的網絡化能夠滿足多組分分析儀器在分析周期、儀器成本等方面的要求，減少分析儀器對DCS 端口的占用。 現代流程工業的過程控制中，分析檢測具有在線、多組分、實時檢測的特點，對分析儀器在穩定、可靠、快速、準確等方面有著嚴格的要求。而廣泛使用的工業色譜儀采用色譜分離原理，分析周期長達數分鐘至數十分鐘，難以實現過程的直接質量控制。過程拉曼光譜儀和激光調制光譜儀等新技術目前價格昂貴，關鍵技術尚在研究階段，難以普及。利用技術成熟的單檢測器單組分過程分析儀器，通過分析傳感器組合技術和嵌入式計算機技術，實現多組分實時檢測和建立簡便快捷的分析儀器通信網絡系統已成為近期國內外分析儀器研發的熱點之一。 基于單片機（80C196）或微處理器（DSP、ARM 等）的多組分氣體分析儀采用功能強大的CPU，可實時快速測定各種燃燒設備的各項熱工參數。根據測量數據，通過自動調節裝置調整風量，保持適當的空氣／燃料比，使燃料系統達到最佳運行狀態，以獲得最高的燃燒效率和最低的燃料消耗。儀器還可以測定CO、SO2、NO、NO2、煙氣黑度等參數，并配有液晶屏、鍵盤等外設。 CAN（Controll Area Network）是國際上應用最廣泛的現場總線之一，使用了一種串行多控制方通信協議，可以有效地支持分布式實時控制，并且具有很高的安全性和高達1Mbps的通信速率。 一個包含PC 機和n－1（n≤110）個智能節點的CAN 總線網絡結構圖如圖1 所示。 圖1 n 個節點的CAN 網絡結構圖 信息的傳輸采用CAN 通信協議，傳輸介質采用雙絞線，如果需要進一步提高系統的抗干擾能力，還可以在控制器和傳輸介質之間加接光電隔離，電源采用DC-DC 變換器等措施。 1 分析儀器CAN 網絡應用層協議的制定 CAN 的國際標準中只定義了物理層和數據鏈路層的規范，由于本項目構建的CAN 總線網絡節點數目不多，所有節點都由項目組自行設計，不需要與國際標準設備進行接口，所以，這里根據本項目的具體情況，制定了一個簡易的CAN 應用層協議。 根據廠方要求，網絡初步規劃應至少可容納16 個節點。上位機收集各分析儀器的信息，包括氣體組分分析含量、出錯信息和被測氣體的一些參數，如溫度、壓力、流量等，也返回一些控制信息給智能節點。在每個分析周期從節點的氣體組分分析結果送往主節點，主節點待收到所有待測組分含量后，將所有信息一并送往上位機。網絡中的任一臺分析儀器均可做為主節點或從節點，甚至在沒有上位機的情況下也可以做為上位機。 在CAN 系統中，以11 位（標準幀）或29 位（擴展幀）的標識符來標識數據的含義，標識符決定了信息的優先權和等待時間，同時也影響信息濾波的適用性。因而，合理、高效的信息標識符ID 分配方案是充分發揮CAN 總線性能的前提條件。 分析儀器主控制器之一F2812 DSP 片上共有32 個郵箱，在SCC 模式下0-15 郵箱可用，在eCAN 模式下，32 個郵箱全部可用，可以很方便地實現主節點對從節點信息的接收和存儲。故推薦采用主控制器為F2812 的分析儀器作為該網絡中的主節點，選擇eCAN 模式，使用標準標識符（11 位），對其進行如表1 所示的靜態分配策略，即可滿足上位機和主節點識別幀來源和幀意義的要求。 2 網絡通信程序 2.1 上位機端初始化 上位機端主要完成對各分析平臺分析結果的采集、顯示，使用PC 機加CAN 通訊卡KPCI-8110。KPCI-8110 上集成了獨立的CAN 控制器SJA1000。SJA1000 用于移動目標和一般工業環境中的區域網絡控制(CAN)，在使用前要先對其進行初始化。 上位機顯示界面采用適合快速開發的可視化面向對象高級語言VB 來編寫。KPCI-8110CAN 適配卡提供.dll 驅動和.lib 庫函數，通過在VB 程序中調用相關的驅動函數就可以實現CAN 適配卡的配置和數據的讀寫。 上位機端接收數據的流程如圖2 所示。 圖2 上位機接口函數使用流程圖 數據接收到上位機之后保存在一個大容量的內存緩沖池內，用戶只需實時通過函數CAN_ReadDataNum(mindex) 查詢緩沖池內的數據量， 再通過函數CAN_ReadBlockData(mindex,num,obyte)及時讀走保存即可。其中obyte 為接收數據起始指針。 CAN_ClearBlock(mindex,num,obyte)為清空從obyte 指針開始的緩沖池空間。 注意：由于SJA1000 CAN 控制器每個地址存儲8 位數據，而F2812 內置CAN 控制器每個地址存儲16 位數據，而且標準數據幀的標識符也不是從字節的起始位開始的，所以定義標識符的時候要按照不同控制器的要求來定義。例如F2812 內置CAN 控制器定義數據幀標識符為344 0000（bit28-bit18 為標識符位），SJA1000 獨立控制器對應的標識符應為1A20（bit15－bit5 為標識符位）。 2.2 分析儀器CAN 網絡通信程序設計 智能節點分析儀器端的編程采用 C 語言與匯編語言相結合的方式，采用結構化程序設計方案，可讀可移植性好。流程如圖3 和4 所示。 圖3 分析儀器主節點程序流程圖 主節點在接收到從節點傳送過來的數據后，在接收成功引起的中斷處理程序中對數據進行處理，然后轉存到主節點的發送郵箱中，等待發送給上位機。在進行數據處理的時候要把接收郵箱中的數據賦給中間變量，處理完后再把中間變量的值賦給發送郵箱，這個過程中要注意借助指針來完成。如下所示： Mailbox = &ECanaMboxes.MBOX0 + n; // n 為郵箱號 receiveboxl = Mailbox-＞MDRL.all; receiveboxh = Mailbox-＞MDRH.all; 圖4 分析儀器從節點程序流程圖 3 實驗結果及分析 使用 KPCI-8110 的測試程序向分析儀器周期發送一幀數據時，查看測試程序和分析儀器存儲器可以看出，分析儀器端正確地接收到PC 發送來的數據，CAN 網絡運行良好。圖5為自己開發的接收界面試驗狀態下成功接收到數據，分析儀器網絡分析周期為20s，發送速率為100Kbps。 圖5 上位機接收界面 在對節點和上位機的通信進行試驗的時候發現，在單獨使用eCAN 模塊發送和接收數據時，通信情況良好，發送和接收的幀數相同。 需要注意的是，在運行DSP 多組分氣體分析平臺的整個軟件程序時，在較短時間內要以較大速率發送大批量數據，故將A/D 采樣之后的數據濾波和處理部分放在主程序中執行，盡可能減少A/D 中斷服務子程序的處理時間，這樣就可以減少對CAN 發送中斷程序的影響。 經實驗證明，以上分析和判斷是正確的，網絡通信狀況良好，無丟幀現象。 4 總結 該網絡通信系統在試驗中得到了良好的效果，滿足了多組分分析儀器的設計要求。 |
