基子CAN_BUS的控制器調(diào)試系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：調(diào)節(jié)多點控制器的控制參數(shù)是一項復(fù)雜的工作，以CAN_BUS通信協(xié)議為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種連接多個CAN端點的調(diào)試系統(tǒng)，通過創(chuàng)建通信協(xié)議，實現(xiàn)了上位機與控制器的CAN端點的實時數(shù)據(jù)交流。闡述了控制器與上位機的通信流程。

磁懸浮轉(zhuǎn)向架的懸浮由四組電磁鐵實現(xiàn)，每組電磁鐵都有獨立的懸浮控制器，控制該點的懸浮與下落。為了獲得最優(yōu)的控制參數(shù)，需要在整個轉(zhuǎn)向架的懸浮過程中通過上位機監(jiān)視軌道與電磁鐵之間的間隙、電磁鐵工作電流等狀態(tài)參數(shù)以及懸浮控制器的控制參數(shù)，動態(tài)地修改控制參數(shù)以觀察控制效果。

懸浮控制器之間是相互獨立的，上位機無法同時監(jiān)控多個懸浮控制器，因此需要找到合理的通信方式使上位機同時與所有的控制器連接，使它們之間能夠?qū)崟r傳遞數(shù)據(jù)。CAN總線是一種有效支持分布式控制和實時控制的多主的異步串行通信網(wǎng)絡(luò)。由于CAN總線具有較強的糾錯能力，支持差分收發(fā)，適合高噪聲環(huán)境，具有較遠的傳輸距離，在各個領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。CAN通信協(xié)議規(guī)定通信波特率、每個位周期的取樣位置和個數(shù)都可以自行設(shè)定，這保證了用戶在使用過程中的靈活性。選用CAN總線，無論是在抗電磁干擾方面還是在實時性方面都能夠滿足實驗要求。

圖1

1 調(diào)試系統(tǒng)硬件端口的設(shè)計

懸浮控制器使用SJA1000作為CAN總線協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片。SJA1000是一種獨立控制器，用于移動目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制。它內(nèi)建BASIC CAN協(xié)議，并提供對CAN2．0B協(xié)議的支持。通過對片內(nèi)寄存器的讀、寫操作，懸浮控制器的核心處理器能夠設(shè)置CAN總線通信模式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。它的傳輸速度很快，位速率可達1Mbit／s，可滿足高速大流量實時傳輸要求。

SJA1000在邏輯上實現(xiàn)了傳輸數(shù)據(jù)的編碼和解碼，若要與物理線路連接，必須借助總線驅(qū)動器。PCA82C250是協(xié)議控制器與物理鏈路之間的接口，可以用高達1Mbit／s的位速率在兩條有差動電壓的總線電纜上傳輸數(shù)據(jù)，它與SJA1000結(jié)合才能實現(xiàn)CAN總線通信。

圖1為CAN總線接口電路原理圖。圖中，SJA1000用16MHz的晶振作為基準(zhǔn)時鐘，數(shù)據(jù)線AD0～AD7與核心控制器的低八位數(shù)據(jù)線相連，在CS、RD、WR的控制下可實現(xiàn)芯片寄存器的讀寫。RX0和TX0與PCA82C250數(shù)據(jù)輸入引腳相連，作為串行數(shù)據(jù)線。RX1與PCA82C250的參考電壓引腳5相連，向PCA82C250輸出參考電壓。PCA82C250的兩根輸出數(shù)據(jù)線之間加上120Ω的終端電阻，用以匹配線路。

上位機通過專用的USBTOCAN轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)PC機與CAN總線的連接，市場上有很多這類產(chǎn)品，這里不再詳細說明。上位機主要提供人機交互界面，顯示狀態(tài)和控制器參數(shù)，并完成參數(shù)與程序的下載。

2 通信協(xié)議構(gòu)建

DSP控制器上的CAN總線端口要完成兩項工作：(1)上傳控制器的控制常量和電流、間隙等狀態(tài)參數(shù)，送給檢測系統(tǒng)；(2)讀取上位機下傳的待修改的控制參數(shù)，實現(xiàn)參數(shù)的在線修改，接收下傳的程序文件，實現(xiàn)DSP主程序的在線寫入。

在調(diào)試過程中，實現(xiàn)多DSP系統(tǒng)的在線聯(lián)調(diào)是很有效的調(diào)試手段。這樣，上位PC機不但能夠采集各控制器的狀態(tài)參數(shù)，還能夠?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進行整理與顯示，并能實時調(diào)整不同控制器的控制參數(shù)，最終實現(xiàn)控制器運行程序的遠程下載。

為實現(xiàn)CAN總線的數(shù)據(jù)傳送，需要定義參數(shù)包、程序包、命令包三種傳送數(shù)據(jù)包，并分別由0x11、0x22、0x33標(biāo)示出來。根據(jù)數(shù)據(jù)傳送方向的不同，數(shù)據(jù)包的格式略有差異?？紤]到CAN總線上的節(jié)點較多，為避免數(shù)據(jù)傳送過程中出現(xiàn)混亂的情況，定義數(shù)據(jù)發(fā)送的基本數(shù)據(jù)包大小為8個字節(jié)，即CAN總線一次傳送的最大字節(jié)數(shù)為8。

    2．1 下傳數(shù)據(jù)協(xié)議

下傳數(shù)據(jù)包括程序、參數(shù)、命令三種數(shù)據(jù)類型。

2．1．1 參數(shù)數(shù)據(jù)包格式

上位機需要下傳的數(shù)據(jù)包括控制參數(shù)C1、C2、C3及給定間隙與電流，根據(jù)修改需要，每個參數(shù)都是單獨下傳的。下傳數(shù)據(jù)包的大小與CAN的最大有效傳送字節(jié)數(shù)一致，為8個字節(jié)。第一個字節(jié)指出數(shù)據(jù)包的類型(用Oxll標(biāo)示)，第二個字節(jié)指出參數(shù)類型(用0xx7標(biāo)示)，第三字節(jié)至第八字節(jié)指出傳送的有效數(shù)據(jù)，對應(yīng)上面給定參數(shù)的參數(shù)標(biāo)示依次為0x17、0x27、0x37、0x47、0x57。圖2所示為數(shù)據(jù)包的一般格式。

2.1.2 程序數(shù)據(jù)包格式

FLASH寫入文件較大，一般有幾十K字節(jié)。控制系統(tǒng)采用的FLASH芯片AT29C010以128字節(jié)為基本操作單位。為了適應(yīng)芯片，可將文件分成128字節(jié)的數(shù)據(jù)段，并為每個數(shù)據(jù)段標(biāo)定次序。發(fā)送時，標(biāo)出數(shù)據(jù)段號及該片數(shù)據(jù)所處段中的位置即可。控制器接收到128字節(jié)后，做一次寫入FLASH操作，數(shù)據(jù)包格式及說明見圖3。

    2．1．3 命令數(shù)據(jù)包格式

命令數(shù)據(jù)指出對下傳參數(shù)的操作，Oxx7+0x44表示對某一參數(shù)的修改生效，如：0x17+0x44使能C1，0x27+0x44使能C2，0x37+0x44使能C3。如果修改的參數(shù)不能滿足控制要求，調(diào)試員希望能恢復(fù)原來的運行參數(shù)，因此定義0x55為修改參數(shù)恢復(fù)命令，如：0x17+0x55恢復(fù)C1，0x27+0x55恢復(fù)C2，0x37+0x55恢復(fù)C3。0x66+0x66表示將下傳數(shù)據(jù)寫入最后的FLASH參數(shù)存儲區(qū)。命令數(shù)據(jù)包格式如圖4所示。

2.2 上傳數(shù)據(jù)協(xié)議

上傳數(shù)據(jù)包的大小也為8個字節(jié)，數(shù)據(jù)包類型分為參數(shù)反饋、命令反饋兩種，參數(shù)反饋用于上傳DSP的實際運行控制參數(shù)及間隙、電流等狀態(tài)信息，命令反饋用于對PC機使能、寫入、參數(shù)恢復(fù)等命令的應(yīng)答。

上傳數(shù)據(jù)依次為控制參數(shù)C1、C2、C3、CURRENTl、CURRENT2、CLEARANCE。數(shù)據(jù)類型標(biāo)示依次為0x17、0x27、0x37、0x47、0x57、0x67。由于上位機要同時接收多個控制器上傳的數(shù)據(jù)，所以為了正確區(qū)分這些參數(shù)，需要給上傳的數(shù)據(jù)包加入端口標(biāo)示，指出數(shù)據(jù)包來自哪個總線端口。上傳的數(shù)據(jù)包在前面格式的基礎(chǔ)上還要加入對應(yīng)于各控制器的CAN總線端口號。

上傳命令是對總線通信出現(xiàn)異常情況的應(yīng)答，因為控制器隨時將控制參數(shù)上傳，且參數(shù)字節(jié)數(shù)較少，出錯的可能性較低，不需配備應(yīng)答命令；而上傳程序的數(shù)據(jù)量較大，容易出現(xiàn)錯誤，必須配備應(yīng)答命令，指示程序?qū)懭脒^程。

因為控制器是周期性地掃描SJAl000的接收緩沖區(qū)，當(dāng)總線連接的節(jié)點較多時，數(shù)據(jù)量較大，難免會發(fā)生數(shù)據(jù)漏收的情況；而且控制器對外部中斷的響應(yīng)也會影響掃描周期，使接收緩沖區(qū)中未來得及讀取的數(shù)據(jù)被新數(shù)據(jù)沖掉。當(dāng)控制器發(fā)現(xiàn)應(yīng)接收的數(shù)據(jù)位置與已接收到的數(shù)據(jù)位置不符時，控制器發(fā)差錯命令給上位機，指出應(yīng)接收的數(shù)據(jù)段號及位置，上位機接收到這一信息后重發(fā)相關(guān)數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)包包含CAN端口字節(jié)、命令標(biāo)示、段號、位置號等信息。通信過程中也可能出現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)不符的情況，因此有必要引入數(shù)據(jù)校驗算法?？刂破鲗⒔邮盏降?28字節(jié)校驗后得到的校驗值與接收到的校驗值作比較，一致后才將數(shù)據(jù)寫入FLASH；否則反饋回校驗值錯誤信息，上位機重發(fā)該段數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)包包含CAN端口字節(jié)、命令標(biāo)示、段號、重發(fā)標(biāo)示(0x88)等信息。

圖5

3 通信程序設(shè)計流程

3．1 控制器通信流程

控制器的通信部分主要在主程序循環(huán)中完成。每次主程序循環(huán)中，控制器都向調(diào)試系統(tǒng)發(fā)送當(dāng)前C1、C2、C3、CURRENTl、CURRENT2、CLEARANCE等信息；一旦接收到調(diào)試系統(tǒng)下傳的信息，控制器便分析下傳信息的性質(zhì)，對它們分別進行判別與應(yīng)答。

圖5是控制器的通信流程。控制器上電后，程序從FLASH的參數(shù)存儲區(qū)(最后256個字節(jié))讀取控制參數(shù)值，存人控制參數(shù)緩存中，作為參數(shù)初值。同時，控制器通過CAN總線接收上位機下傳的控制參數(shù)，校驗后存入控制參數(shù)緩存中。一旦接收到參數(shù)使能命令，則將緩存中的數(shù)據(jù)復(fù)制給C1、C2、C3等變量，作為實際的工作參數(shù)；調(diào)試完畢后，在接收到參數(shù)寫入命令后，將參數(shù)寫入FLASH的參數(shù)存儲區(qū)，作為永久工作參數(shù)。接收到程序數(shù)據(jù)包后，控制器首先檢驗數(shù)據(jù)的次序，保證接收到的數(shù)據(jù)按次序排列；接著代入校驗算法，將計算得到的校驗值和接收的校驗值作比較，不一致則給上位機反饋校驗值錯誤命令，要求上位機重發(fā)該段程序，否則將數(shù)據(jù)寫入FLASH。圖中監(jiān)控信息的發(fā)送周期可根據(jù)情況確定。

3．2 上位機通信流程

上位機是調(diào)試員與控制系統(tǒng)的接口，它顯示控制器的上傳參數(shù)，將調(diào)試員需要修改的控制參數(shù)下傳。為完成上述功能，調(diào)試界面應(yīng)包括參數(shù)顯示窗口、參數(shù)輸入窗口、命令工具條等，必要的話，還應(yīng)將狀態(tài)參數(shù)以曲線的形式顯示出來。調(diào)試人員根據(jù)狀態(tài)曲線調(diào)整控制參數(shù)。

圖6是上位機的調(diào)試流程，單控制器的總線最短發(fā)送周期為5ms，隨著總線通信量的增加，監(jiān)控界面的掃描周期也應(yīng)相應(yīng)延長。參數(shù)顯示界面顯示的是上位機最新收到的參數(shù)，其值總是實時刷新的。發(fā)送修改參數(shù)時，每次只發(fā)送一個參數(shù)，上位機需將參數(shù)變成不大于4字節(jié)的字符型數(shù)組才能發(fā)送?？刂破髟谑盏絽?shù)數(shù)據(jù)包后，也要將數(shù)據(jù)字節(jié)逆序重組，才能得到需要的修改參數(shù)。上位機在下載程序的過程中，若在對某段程序多次重復(fù)發(fā)送后依然收到錯誤反饋，則顯示錯誤狀態(tài)，停止數(shù)據(jù)發(fā)送，由調(diào)試人員檢查線路，重新給出下載命令。

多個控制器控制參數(shù)的調(diào)試是一個相當(dāng)繁雜的過程，本文給出了基于CAN總線的調(diào)試系統(tǒng)，其設(shè)計目的就是簡化調(diào)試過程，縮短調(diào)試時間。應(yīng)用這套系統(tǒng)，調(diào)試人員可以同時動態(tài)地調(diào)整多個控制器的控制參數(shù)，通過反饋的控制器狀態(tài)判斷參數(shù)優(yōu)劣，達到快速尋找最優(yōu)控制參數(shù)的目的，是調(diào)試過程中的一條有效輔助手段。