基于ARM920T的嵌入式靜力測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本文介紹了一種基于單片機(jī)AT89C52的CAN總線分布式測控系統(tǒng)，主要闡述了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案,以及控制模塊和采集模塊的軟硬件設(shè)計(jì)，重點(diǎn)是系統(tǒng)中以單片機(jī)為核心的帶有CAN總線接口的設(shè)計(jì)，解決現(xiàn)場各傳感器得到的測量信號利用單片機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，然后通過與CAN控制器的通訊將信息發(fā)送到CAN總線上。

　　1 CAN總線網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點(diǎn)[1][2]

　　用通訊數(shù)據(jù)塊編碼，可實(shí)現(xiàn)多主工作方式，數(shù)據(jù)收發(fā)方式靈活，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播等多種傳輸方式;可將DCS結(jié)構(gòu)中主機(jī)的常規(guī)測試與控制功能分散到各個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)控制器把采集到的數(shù)據(jù)通過CAN適配器發(fā)送到總線，或者向總線申請數(shù)據(jù)，主機(jī)便從原來繁重的底層設(shè)備監(jiān)控任務(wù)中解放出來，進(jìn)行更高層次的控制和管理功能，比如故障診斷、優(yōu)化協(xié)調(diào)等;

　　采用非破壞性基于優(yōu)先權(quán)的總線仲裁技術(shù)，具有暫時(shí)錯(cuò)誤和永久性故障節(jié)點(diǎn)的判別及故障節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)脫離功能，使系統(tǒng)其它節(jié)點(diǎn)的通信不受影響;同時(shí),CAN具有出錯(cuò)幀自動(dòng)重發(fā)功能，可靠性高;

　　信號傳輸用短幀結(jié)構(gòu)(8字節(jié))，實(shí)時(shí)性好;

　　不關(guān)閉總線即可任意掛接或拆除節(jié)點(diǎn)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性;

　　采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，使各設(shè)備之間具有較好的互操作性和互換性，系統(tǒng)的通用性好;

　　通訊介質(zhì)可采用雙絞線，無特殊要求;現(xiàn)場布線和安裝簡單，易于維護(hù)，經(jīng)濟(jì)性好。

　　總之，CAN總線具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、互操作性好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)的工業(yè)總線的缺陷，是構(gòu)建分布式測控系統(tǒng)的一種有效的解決方案。

　　2系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)方案

　　首先，定義各節(jié)點(diǎn)的功能，確定各節(jié)點(diǎn)檢測或控制量的數(shù)目、類型、信號特征。這是進(jìn)行微機(jī)測控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的第一步。原則是盡量避免重復(fù)測試。智能節(jié)點(diǎn)模塊絕大部分是輸入輸出模塊，調(diào)節(jié)回路可以跨模塊構(gòu)成回路。但考慮到調(diào)節(jié)回路的安全性，為了保證在上位機(jī)或整個(gè)通信線路出現(xiàn)重大故障時(shí)回路調(diào)節(jié)不受到影響，設(shè)計(jì)了隔離型、自整定PID、隔離型溫度調(diào)節(jié)器等帶有調(diào)節(jié)功能的模塊。它們的輸入輸出通道都在同一模塊中，其底層軟件的功能很強(qiáng)，所有的輸入處理、輸出增量的計(jì)算(多種調(diào)節(jié)算法可通過組態(tài)選擇，包括串級調(diào)節(jié))、輸出，包括自整定模塊的過程參數(shù)的自動(dòng)識別都在本模塊實(shí)現(xiàn)，保證了調(diào)節(jié)回路的安全性、可靠性。

　　其次，選擇各節(jié)點(diǎn)控制器和相應(yīng)的CAN適配元件。由于各測控節(jié)點(diǎn)功能相對單一，數(shù)據(jù)量少，因此對CPU的要求大大降低，采用8051系列單片機(jī)即可滿足要求。CAN 總線適配器件主要有：控制器接口、總線收發(fā)器和I/O器件。采用Philips公司生產(chǎn)的82C200CAN控制器和與其配套的82C250CAN收發(fā)器。82C200具有完成高性能通信協(xié)議所要求的全部必要特性。具有簡單總線連接的82C200可完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能。

　　最后，按照CAN總線物理層協(xié)議選擇總線介質(zhì)，設(shè)計(jì)布線方案，連接成CAN總線分布式測控網(wǎng)絡(luò)。如圖1所示。

　　3系統(tǒng)的硬件組成[3][4][5]

　　(1)CAN總線接口模塊

　?、?微處理器

　　目前廣泛流行的CAN總線器件有兩大類：一類是獨(dú)立的CAN控制器，如82C200，SJA1000及Intel 82526/82527等;另一類是帶有芯片CAN的微控制器，如P8XC582及16位微控制器87C196CA/CB等。根據(jù)當(dāng)前市場、開發(fā)工具和課題的實(shí)際需要，系統(tǒng)的智能節(jié)點(diǎn)均選用ATMEL 8位單片機(jī)AT89C52為微處理器。

　?、?CAN控制器

　　CAN控制器選用SJA1000作為控制器。SJA1000是高集成度CAN控制器。具有多主結(jié)構(gòu)、總線訪問優(yōu)先權(quán)、成組與廣播報(bào)文功能及硬件濾波功能。輸入時(shí)鐘頻率為16MHh時(shí)鐘,輸出可編程控制。由以下幾部分構(gòu)成：接口管理邏輯、發(fā)送緩存器、接收緩存器、位流處理器、位定時(shí)邏輯、收發(fā)邏輯、錯(cuò)誤管理邏輯、控制器接口邏輯等。

　　SJA1000有很多新功能 ：標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和擴(kuò)展結(jié)構(gòu)報(bào)文的接受和發(fā)送;64字節(jié)的接收FIFO;標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展幀格式都具有單/雙接收濾波器;可進(jìn)行讀/寫訪問的錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器;可編織的錯(cuò)誤報(bào)警限制：最近一次的錯(cuò)誤代碼寄存器;每一個(gè)CAN總線錯(cuò)誤都可以產(chǎn)生錯(cuò)誤中斷;具有丟失仲裁定位功能的丟失仲裁中斷;單發(fā)方式(當(dāng)發(fā)主錯(cuò)誤或丟失仲裁時(shí)不重發(fā));只聽方式(監(jiān)聽CAN總線，無應(yīng)答，無錯(cuò)誤標(biāo)志);支持熱插拔(無干擾軟件驅(qū)動(dòng)位速率監(jiān)測)。因此，系統(tǒng)的智能節(jié)點(diǎn)均選用SJA1000作為CAN控制器。

　?、?CAN總線收發(fā)器

　　CAN總線收發(fā)器選用PCA82C250作為總線收發(fā)器。 PCA82C250是CAN 協(xié)議控制器和物理總線之間的接口。82C250 可以為總線提供不同的發(fā)送性能，為CAN 控制器提供不同的接收性能。而且它與“ISO 11898”標(biāo)準(zhǔn)完全兼容。PCA82C250的目的是為了增大通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護(hù)總線，降低射頻干擾(RFI)實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)等。為了進(jìn)一步提高抗干擾措施，在兩個(gè)CAN器件之間使用了由高速隔離器件6N137構(gòu)成的隔離電路。 CAN器件與微處理器的硬件連接如圖2所示。

　　硬件電路的設(shè)計(jì)并不太困難，但有幾點(diǎn)應(yīng)引起注意：

　　總線兩端兩個(gè)120Ω的電阻，對于匹配總線阻擾，起著相當(dāng)重要的作用。忽略掉它們，會(huì)使數(shù)據(jù)通信的抗干擾性及可靠性大大降低，甚至無法通信。

　　82C50第8腳與地之間的電阻Rs稱為斜率電阻，它的取值決定了系統(tǒng)處于高速工作方式還是斜率控制方式。把該引腳直接與地相連，系統(tǒng)將處于高速工作方式，在這種方式下，為避免射頻干擾，建議使用屏蔽電纜作總線;而在波特率較低、總線較短時(shí)，一般采用斜率控制方式，上升及下降的斜率取決于民的阻值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明15"200kΩ為Rs較理想的取值范圍，在該方式下，可以使用平行線或雙絞線作總線。

　　SJA1000的TX1腳懸空，RX1引腳的電位必須維持在約0.5Vcc上，否則，將不能形成CAN協(xié)議所要求的電平邏輯。如果系統(tǒng)傳輸距離近，環(huán)境干擾小，可以不用電流隔離，這樣可直接把82C250的VREF端(約為0.5 Vcc)與RX1腳相連，從而簡化了電路。

　　在系統(tǒng)中，SJA1000的片選信號一般由地址總線經(jīng)譯碼獲得，并由此決定出CAN控制器各寄存器的地址。實(shí)際應(yīng)用中，采用單片機(jī)AT89C52的P2.7為片選信號。所以，SJA1000的地址為：7F00"7F32H。

　　當(dāng)上電復(fù)位時(shí)，AT89C52的上電復(fù)位，需要從低到高的電平變化來激活，而SJA1000的17腳RST被激活，需要出現(xiàn)一個(gè)由高電平到低電平的跳變，因此，這必須加一個(gè)反相器。

　　(2)數(shù)據(jù)采集模塊

　　數(shù)據(jù)采集模塊用來將各類傳感器的數(shù)據(jù)傳送到CAN總線上。整個(gè)電路包括：看門狗X5045，單片機(jī)89C52，鎖存器74LS373，A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809以及CAN控制器SJA1000和收發(fā)器82C250。電路板如圖3。

　　數(shù)據(jù)采集模塊的工作原理：各類傳感器采集到數(shù)據(jù)后將0—5V的模擬量傳送到ADC0809，0809將轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量傳給89C52，最后單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)送到SJA1000通過CAN總線收發(fā)器82C250傳上總線，完成數(shù)據(jù)采集工作。

　　(3)控制模塊

　　是一個(gè)帶有CAN通信功能的隔離型控制器。該模塊有一個(gè)數(shù)據(jù)輸入點(diǎn)，可以是命令或其他信號，有一個(gè)模擬量輸出，供輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)是連續(xù)變化的控制系統(tǒng)使用，例如控制步進(jìn)電機(jī);還有一路是數(shù)字量輸出，供執(zhí)行機(jī)構(gòu)是兩位式的控制系統(tǒng)使用，例如開關(guān)設(shè)備。這個(gè)控制器可以單獨(dú)作為一個(gè)調(diào)節(jié)器使用，因?yàn)樵谠撃K上提供了完整的顯示窗口和操作按鈕，可以設(shè)定溫度設(shè)定值、PID調(diào)節(jié)參數(shù)等運(yùn)行過程中可以顯示被控對象的PV值和SV值。

　　該模塊可以根據(jù)設(shè)定的控制點(diǎn)及升、降的時(shí)間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。帶有CAN通信口，可以與微機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，也就是說控制模塊可以接入CAN 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對多個(gè)節(jié)點(diǎn)上的控制模塊設(shè)定各控制點(diǎn)的上下限控制點(diǎn)、PID值、實(shí)現(xiàn)時(shí)間等控制參數(shù)，并實(shí)時(shí)記錄各控制器的測量值，描繪出變化曲線，供實(shí)驗(yàn)人員對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。如圖4所示。

　　4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　(1)CAN 總線通訊模塊

　　CAN總線測控系統(tǒng)的通信軟件分為3部分：CAN初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收。

　?、?CAN初始化

　　其主要是設(shè)置CAN的通信參數(shù)。需要初始化的寄存器有：模式寄存器(Peli CAN模式)、時(shí)分寄存器、接收代碼寄存器、屏蔽寄存器、總線定時(shí)寄存器、輸出控制寄存器等。需要注意的是，這些寄存器僅能在復(fù)位期間可寫訪向，因此,在對這些寄存器初始化前，必須確保系統(tǒng)進(jìn)入了復(fù)位狀態(tài)，并且系統(tǒng)中各CAN控制器的總線定時(shí)寄存器的初始化字必須相同。

　　② 數(shù)據(jù)發(fā)送

　　現(xiàn)場的各傳感器把環(huán)境多參數(shù)的檢測信號(數(shù)字量、模擬量、開關(guān)量)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理后，發(fā)向CAN控制器的發(fā)送緩沖區(qū)，然后啟動(dòng)CAN控制器的發(fā)送命令，此時(shí)CAN控制器將自動(dòng)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，不再需傳感器的微控制器進(jìn)行干預(yù)。若系統(tǒng)中有多個(gè)傳感CAN控制器同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，則CAN控制器通過信息幀中的標(biāo)識符來進(jìn)行仲裁，標(biāo)識符數(shù)值最小的CAN控制器具有對總線的優(yōu)先使用權(quán)。

　　③ 數(shù)據(jù)接收

　　整個(gè)溫室微機(jī)測控系統(tǒng)中的CAN控制器檢測到總線上有數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)自動(dòng)接收總線上的數(shù)據(jù)，存入其接收緩沖區(qū)，并向89C52微控制器發(fā)送接收中斷，啟動(dòng)中斷接收服務(wù)程序，89C52通過執(zhí)行中斷接收服務(wù)程序，從CAN控制器的接收緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行進(jìn)一步處理工作。

　　(2)監(jiān)控模塊

　　集成了所有的數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等功能。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)操作人員對生產(chǎn)過程的人工干預(yù)，如修改給定值、控制參數(shù)和報(bào)警限等，添加了參數(shù)的修改功能;為了建立人機(jī)信息聯(lián)系，并且能將各節(jié)點(diǎn)傳輸來的數(shù)據(jù)以圖形、圖表或其它動(dòng)態(tài)方式顯示出來，本系統(tǒng)可以使用任何具有DDE(Dynamic Data Exchange)接口的MMI(Man-Machine interface)軟件;為了更好的管理各種數(shù)據(jù)，采取了組態(tài)控制方式，能夠接收來自MMI軟件以及用戶軟件的DDE連接請求，并將該請求傳遞給通信驅(qū)動(dòng)部分，由通信驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換為通信信號通過傳輸媒體傳遞給智能模塊的固化軟件。并將模塊的應(yīng)答作為DDE操作的結(jié)果返回給MMI軟件及用戶軟件。

　　5 結(jié)論

　　將先進(jìn)的現(xiàn)場總線技術(shù)(CAN BUS)應(yīng)用于智能測控系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性;自主開發(fā)了符合國際標(biāo)準(zhǔn)的基于單片機(jī)的智能節(jié)點(diǎn)，不僅大量節(jié)約了資金，而且可以購置通用的同類設(shè)備，可節(jié)約大量的研發(fā)費(fèi)用;基于工控機(jī)的上位機(jī)提供了良好的人機(jī)界面，使操作更加方便，直觀。

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