過(guò)程分析儀器CAN網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì) - 全文

引言

　　現(xiàn)代流程工業(yè)的過(guò)程控制中，分析檢測(cè)具有在線、多組分、實(shí)時(shí)檢測(cè)的特點(diǎn)，對(duì)分析儀器在穩(wěn)定、可靠、快速、準(zhǔn)確等方面有著嚴(yán)格的要求。而廣泛使用的工業(yè)色譜儀采用色譜分離原理，分析周期長(zhǎng)達(dá)數(shù)分鐘至數(shù)十分鐘，難以實(shí)現(xiàn)過(guò)程的直接質(zhì)量控制。過(guò)程拉曼光譜儀和激光調(diào)制光譜儀等新技術(shù)目前價(jià)格昂貴，關(guān)鍵技術(shù)尚在研究階段，難以普及。利用技術(shù)成熟的單檢測(cè)器單組分過(guò)程分析儀器，通過(guò)分析傳感器組合技術(shù)和嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多組分實(shí)時(shí)檢測(cè)和建立簡(jiǎn)便快捷的分析儀器通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已成為近期國(guó)內(nèi)外分析儀器研發(fā)的熱點(diǎn)之一。

　　基于單片機(jī)（80C196）或微處理器（DSP、ARM 等）的多組分氣體分析儀采用功能強(qiáng)大的CPU，可實(shí)時(shí)快速測(cè)定各種燃燒設(shè)備的各項(xiàng)熱工參數(shù)。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置調(diào)整風(fēng)量，保持適當(dāng)?shù)目諝猓剂媳龋谷剂舷到y(tǒng)達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)，以獲得最高的燃燒效率和最低的燃料消耗。儀器還可以測(cè)定CO、SO2、NO、NO2、煙氣黑度等參數(shù)，并配有液晶屏、鍵盤等外設(shè)。

　　CAN（Controll Area Network）是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，使用了一種串行多控制方通信協(xié)議，可以有效地支持分布式實(shí)時(shí)控制，并且具有很高的安全性和高達(dá)1Mbps的通信速率。

　　一個(gè)包含PC 機(jī)和n－1（n≤110）個(gè)智能節(jié)點(diǎn)的CAN 總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

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圖1 n 個(gè)節(jié)點(diǎn)的CAN 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

　　信息的傳輸采用CAN 通信協(xié)議，傳輸介質(zhì)采用雙絞線，如果需要進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，還可以在控制器和傳輸介質(zhì)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(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層協(xié)議的制定

　　CAN 的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的規(guī)范，由于本項(xiàng)目構(gòu)建的CAN 總線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目不多，所有節(jié)點(diǎn)都由項(xiàng)目組自行設(shè)計(jì)，不需要與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行接口，所以，這里根據(jù)本項(xiàng)目的具體情況，制定了一個(gè)簡(jiǎn)易的CAN 應(yīng)用層協(xié)議。

　　根據(jù)廠方要求，網(wǎng)絡(luò)初步規(guī)劃應(yīng)至少可容納16 個(gè)節(jié)點(diǎn)。上位機(jī)收集各分析儀器的信息，包括氣體組分分析含量、出錯(cuò)信息和被測(cè)氣體的一些參數(shù)，如溫度、壓力、流量等，也返回一些控制信息給智能節(jié)點(diǎn)。在每個(gè)分析周期從節(jié)點(diǎn)的氣體組分分析結(jié)果送往主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)待收到所有待測(cè)組分含量后，將所有信息一并送往上位機(jī)。網(wǎng)絡(luò)中的任一臺(tái)分析儀器均可做為主節(jié)點(diǎn)或從節(jié)點(diǎn)，甚至在沒(méi)有上位機(jī)的情況下也可以做為上位機(jī)。

　　在CAN 系統(tǒng)中，以11 位（標(biāo)準(zhǔn)幀）或29 位（擴(kuò)展幀）的標(biāo)識(shí)符來(lái)標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)的含義，標(biāo)識(shí)符決定了信息的優(yōu)先權(quán)和等待時(shí)間，同時(shí)也影響信息濾波的適用性。因而，合理、高效的信息標(biāo)識(shí)符ID 分配方案是充分發(fā)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(gè)郵箱，在SCC 模式下0-15 郵箱可用，在eCAN 模式下，32 個(gè)郵箱全部可用，可以很方便地實(shí)現(xiàn)主節(jié)點(diǎn)對(duì)從節(jié)點(diǎn)信息的接收和存儲(chǔ)。故推薦采用主控制器為F2812 的分析儀器作為該網(wǎng)絡(luò)中的主節(jié)點(diǎn)，選擇eCAN 模式，使用標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符（11 位），對(duì)其進(jìn)行如表1 所示的靜態(tài)分配策略，即可滿足上位機(jī)和主節(jié)點(diǎn)識(shí)別幀來(lái)源和幀意義的要求。

　　2 網(wǎng)絡(luò)通信程序

　　2.1 上位機(jī)端初始化

　　上位機(jī)端主要完成對(duì)各分析平臺(tái)分析結(jié)果的采集、顯示，使用PC 機(jī)加CAN 通訊卡KPCI-8110。KPCI-8110 上集成了獨(dú)立的CAN 控制器SJA1000。SJA1000 用于移動(dòng)目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制(CAN)，在使用前要先對(duì)其進(jìn)行初始化。

　　上位機(jī)顯示界面采用適合快速開(kāi)發(fā)的可視化面向?qū)ο蟾呒?jí)語(yǔ)言VB 來(lái)編寫。KPCI-8110CAN 適配卡提供.dll 驅(qū)動(dòng)和.lib 庫(kù)函數(shù)，通過(guò)在VB 程序中調(diào)用相關(guān)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)CAN 適配卡的配置和數(shù)據(jù)的讀寫。

　　上位機(jī)端接收數(shù)據(jù)的流程如圖2 所示。

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圖2 上位機(jī)接口函數(shù)使用流程圖

　　數(shù)據(jù)接收到上位機(jī)之后保存在一個(gè)大容量的內(nèi)存緩沖池內(nèi)，用戶只需實(shí)時(shí)通過(guò)函數(shù)CAN_ReadDataNum(mindex) 查詢緩沖池內(nèi)的數(shù)據(jù)量， 再通過(guò)函數(shù)CAN_ReadBlockData(mindex,num,obyte)及時(shí)讀走保存即可。其中obyte 為接收數(shù)據(jù)起始指針。

　　CAN_ClearBlock(mindex,num,obyte)為清空從obyte 指針開(kāi)始的緩沖池空間。

　　注意：由于SJA1000 CAN 控制器每個(gè)地址存儲(chǔ)8 位數(shù)據(jù)，而F2812 內(nèi)置CAN 控制器每個(gè)地址存儲(chǔ)16 位數(shù)據(jù)，而且標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀的標(biāo)識(shí)符也不是從字節(jié)的起始位開(kāi)始的，所以定義標(biāo)識(shí)符的時(shí)候要按照不同控制器的要求來(lái)定義。例如F2812 內(nèi)置CAN 控制器定義數(shù)據(jù)幀標(biāo)識(shí)符為344 0000（bit28-bit18 為標(biāo)識(shí)符位），SJA1000 獨(dú)立控制器對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)符應(yīng)為1A20（bit15－bit5 為標(biāo)識(shí)符位）。

　　2.2 分析儀器CAN 網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計(jì)

　　智能節(jié)點(diǎn)分析儀器端的編程采用 C 語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言相結(jié)合的方式，采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方案，可讀可移植性好。流程如圖3 和4 所示。

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圖3 分析儀器主節(jié)點(diǎn)程序流程圖

　　主節(jié)點(diǎn)在接收到從節(jié)點(diǎn)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)后，在接收成功引起的中斷處理程序中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后轉(zhuǎn)存到主節(jié)點(diǎn)的發(fā)送郵箱中，等待發(fā)送給上位機(jī)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的時(shí)候要把接收郵箱中的數(shù)據(jù)賦給中間變量，處理完后再把中間變量的值賦給發(fā)送郵箱，這個(gè)過(guò)程中要注意借助指針來(lái)完成。如下所示：

　　Mailbox = &ECanaMboxes.MBOX0 + n; // n 為郵箱號(hào)

　　receiveboxl = Mailbox->MDRL.all;

　　receiveboxh = Mailbox->MDRH.all;

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圖4 分析儀器從節(jié)點(diǎn)程序流程圖

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

　　使用 KPCI-8110 的測(cè)試程序向分析儀器周期發(fā)送一幀數(shù)據(jù)時(shí)，查看測(cè)試程序和分析儀器存儲(chǔ)器可以看出，分析儀器端正確地接收到PC 發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，CAN 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行良好。圖5為自己開(kāi)發(fā)的接收界面試驗(yàn)狀態(tài)下成功接收到數(shù)據(jù)，分析儀器網(wǎng)絡(luò)分析周期為20s，發(fā)送速率為100Kbps。

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圖5 上位機(jī)接收界面

　　在對(duì)節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)的通信進(jìn)行試驗(yàn)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，在單獨(dú)使用eCAN 模塊發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)，通信情況良好，發(fā)送和接收的幀數(shù)相同。

　　需要注意的是，在運(yùn)行DSP 多組分氣體分析平臺(tái)的整個(gè)軟件程序時(shí)，在較短時(shí)間內(nèi)要以較大速率發(fā)送大批量數(shù)據(jù)，故將A/D 采樣之后的數(shù)據(jù)濾波和處理部分放在主程序中執(zhí)行，盡可能減少A/D 中斷服務(wù)子程序的處理時(shí)間，這樣就可以減少對(duì)CAN 發(fā)送中斷程序的影響。

　　經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，以上分析和判斷是正確的，網(wǎng)絡(luò)通信狀況良好，無(wú)丟幀現(xiàn)象。

　　4 總結(jié)

　　該網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)在試驗(yàn)中得到了良好的效果，滿足了多組分分析儀器的設(shè)計(jì)要求。

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