基于CAN總線的分布式網(wǎng)架健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)某網(wǎng)架安全監(jiān)測(cè)的需要設(shè)計(jì)了分布式健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，介紹了在分布式系統(tǒng)中利用控制器局域網(wǎng)(CAN)組建分布式通信網(wǎng)絡(luò)模塊的方案。詳細(xì)闡述了基于CAN總線控制器SJAl000的采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及具體的硬件電路設(shè)計(jì)，并解決了在軟件設(shè)計(jì)中容易碰到的問題。

在某大網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的建筑中，由于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的特殊性及其所處地理位置在沿海臺(tái)風(fēng)多發(fā)地帶，因此需要設(shè)計(jì)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的健康狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和評(píng)估。由于需要對(duì)網(wǎng)架上受力情況進(jìn)行多點(diǎn)監(jiān)測(cè)，考慮到硬件集中控制擴(kuò)展能力差且在現(xiàn)場施工有較大的布線困難，因此本系統(tǒng)采用目前廣泛應(yīng)用的分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，將各個(gè)控制單元分布在現(xiàn)場各采集點(diǎn)上。為了實(shí)現(xiàn)分布式系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與控制功能，需要建立良好的通訊方式，以完成系統(tǒng)主機(jī)與各智能單元之間的信息交換與通信。根據(jù)本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點(diǎn)，其通信系統(tǒng)應(yīng)具有良好的可靠性、適應(yīng)性、可擴(kuò)展性和簡單的連接方式，并能滿足長距離傳輸?shù)男枰?。由于此?shù)據(jù)采集系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)多(100路)、對(duì)信號(hào)傳輸速度要求高且誤碼率低，利用485總線搭建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的傳統(tǒng)方式，其最大控制結(jié)點(diǎn)只能有32個(gè)，在超過lkm的布線結(jié)構(gòu)中傳輸速度只有l(wèi)OOkbps，且“數(shù)據(jù)碰撞”和“死鎖”等問題不易解決，因此采用485總線顯然達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

    相對(duì)于傳統(tǒng)的485總線來講，控制器局域網(wǎng)CAN(Controller Area Network)作為現(xiàn)場總線的一種，以其分時(shí)多主、非破壞性總線仲裁和自動(dòng)檢錯(cuò)重發(fā)等靈活、可靠的通信技術(shù)解決了485總線現(xiàn)場調(diào)試?yán)щy、開發(fā)周期長等問題[1]。尤其在較為艱苦的安裝環(huán)境中，其高效的現(xiàn)場調(diào)試性能顯得尤為實(shí)用。作為一種分散式、數(shù)字化、雙向多點(diǎn)、具有高速率高可靠性特點(diǎn)的通信系統(tǒng)，CAN可以構(gòu)建靈活的多主通訊機(jī)制，也可以建立主從式結(jié)構(gòu)，而且這兩種方式下的硬件物理聯(lián)接完全相同。其自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼、CRC冗余校驗(yàn)、出錯(cuò)自動(dòng)重發(fā)的功能保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率，某一節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重出錯(cuò)時(shí)能自動(dòng)脫離總線保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且其具有極強(qiáng)的帶負(fù)載能力，可驅(qū)動(dòng)多達(dá)110個(gè)節(jié)點(diǎn)，可滿足本系統(tǒng)高速、精確、多負(fù)載的要求。

1 采集卡硬件電路的設(shè)計(jì)

1．1 CAN總線分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)由上位監(jiān)控PC機(jī)、CAN總線適配卡和控制單元三部分組成。上位監(jiān)控PCs機(jī)采用IBM-PC兼容機(jī)，主要負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接收與管理、控制命令的發(fā)送以及各控制單元?jiǎng)討B(tài)參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示；CAN總線適配卡可以使PC機(jī)方便地連接到CAN總線上；控制單元以單片機(jī)為核心，主要負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理并將處理過的數(shù)字信號(hào)通過CAN通信控制器SJA1000送入CAN總線。

1．2 控制單元模塊設(shè)計(jì)及關(guān)鍵問題的解決

控制單元的主要功能是將現(xiàn)場采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過CPU處理后再由CAN總線控制器打包送上CAN總線以便上位機(jī)接收處理；接收上位機(jī)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場控制的具體操作。具體需要解決的問題為：①CAN模塊設(shè)計(jì)；②A／D模塊設(shè)計(jì)。

1．2．1 CAN模塊設(shè)計(jì)

控制單元以8位單片機(jī)AT89C51為核心，選用器件SJA1000作為CAN控制器，并選用芯片82C250和6N137作為CAN控制器接口和光耦隔離。硬件電路如圖2所示。

系統(tǒng)采用的CAN總線通信控制器SJA1000是PHILIPS公司生產(chǎn)的一種獨(dú)立式CAN器件，其原理框圖如圖3所示。它與CAN2．OB相兼容[1]，同時(shí)支持11位(BasicCAN模式)和29位(PeliCAN模式)識(shí)別碼。

圖2中AT89C51單片機(jī)的ALE、WR、RD端分別控制SJA1000的ALE／AS、WR、RD端，地址和數(shù)據(jù)線ADO～AD7由P0口分時(shí)復(fù)用實(shí)現(xiàn)。SJA1000的中斷請(qǐng)求信號(hào)INT在中斷允許且有中斷發(fā)生時(shí)，由高電來此跳變到低電平，所以INT和AT89C51的INT0直接相連。片選信號(hào)CS由GAL譯碼電路控制，當(dāng)CS接到低電平時(shí)，SJA1000被選中，CPU可對(duì)SJA1000進(jìn)行讀／寫操作。為了增強(qiáng)控制節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，防止線路間串?dāng)_，SJA1000通過光耦6N137與82C250相連，從而使總線上各個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)隔離，以保護(hù)CAN控制器正常工作。82C250是CAN總線收發(fā)器，是CAN控制器SJA1000正常工作與CAN總線的接口器件，對(duì)CAN總線以差分方式發(fā)送。其引腳RS用于選擇82C250的工作模式(高速、斜率控制或等待)。RS腳接地，82C250工作于高速方式，RS腳串接一個(gè)電阻R后再接地，若82C250處于CAN總線的網(wǎng)絡(luò)終端，總線接口部分必須加一個(gè)120Ω的匹配電阻，以保護(hù)82C250免受過流的沖擊。

1．2．2 A／D模塊設(shè)計(jì)

A／D芯片選用12位高速采集芯片AD574。在本設(shè)計(jì)中，A／D模塊的功能是將外部模擬信號(hào)通過AD574轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后并行輸入到AT89C51，然后AT89C51將其打包，并行輸出至CAN總線通信控制器SJA1000，經(jīng)總線收發(fā)器至CAN總線。其監(jiān)控電路采用DS1232，它具有電源監(jiān)控、手動(dòng)復(fù)位和看門狗功能，還能同時(shí)輸出高低電平的兩路復(fù)位信號(hào)，分別輸出至AT89C51和SJA1000的復(fù)位端，以滿足本次設(shè)計(jì)的要求。

2 軟件設(shè)計(jì)

本健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求軟件部分具有現(xiàn)場數(shù)字信號(hào)顯示、檢測(cè)并驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場信號(hào)設(shè)備等功能。在本設(shè)計(jì)中主要完成兩部分任務(wù)：第一是PC機(jī)部分的上位機(jī)顯示，主要通過集成開發(fā)環(huán)境軟件設(shè)計(jì)出上位機(jī)監(jiān)視顯示界面，其重點(diǎn)在于PC機(jī)與現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)間的通信；第二是現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)控制設(shè)計(jì)，即設(shè)備驅(qū)動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)，目的是能接收上位機(jī)的控制信號(hào)，使現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)按既定的工作方式工作。

根據(jù)系統(tǒng)的工作要求，工作重點(diǎn)包括CAN總線通信程序、看門狗的初始化、A／D采樣控制程序、執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制程序和控制算法等，主要流程如圖4所示。限于篇幅，這里著重介紹SJA1000初始化程序設(shè)計(jì)、發(fā)送程序設(shè)計(jì)、接收程序設(shè)計(jì)以及A／D轉(zhuǎn)換程序的設(shè)計(jì)。

2．1 SJA1000初始化設(shè)計(jì)

初始化流程圖如圖5所示。AT89C51上電或復(fù)位后，調(diào)用復(fù)位程序給SJA1000的復(fù)位端(RST)提供復(fù)位信號(hào)，使SJA1000進(jìn)入復(fù)位模式。SJA1000的初始化只有在復(fù)位模式下才可以進(jìn)行。初始化程序主要完成以下寄存器的設(shè)計(jì)：(1)通過對(duì)SJA1000的時(shí)鐘分頻寄存器定義，判斷是使用BassicCAN模式還是使用PeliCAN模式；是否使能CLOCKOUT及輸出時(shí)鐘頻率；是否使用旁路CAN輸入比較器；TX1輸出是否采用專門的接收中斷。(2)通過寫驗(yàn)收碼寄存器和驗(yàn)收屏蔽寄存器定義接收?qǐng)?bào)文的驗(yàn)收碼，以及對(duì)報(bào)文和驗(yàn)收碼進(jìn)行比較的相關(guān)位定義驗(yàn)收屏蔽碼。(3)通過寫總線定時(shí)寄存器定義總線的位速率、位周期內(nèi)的采樣點(diǎn)和一個(gè)位周期內(nèi)的采樣數(shù)量。(4)通過寫輸出寄存器定義CAN總線輸出管腳TX0、TX1的輸出模式和輸出配置。(5)清除SJA1000的復(fù)位請(qǐng)求標(biāo)志，進(jìn)入正常工作模式，這樣SJA1000方可進(jìn)行報(bào)文的發(fā)送和接收。

2.2 發(fā)送和接收程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)將要發(fā)送的報(bào)文送到SJA1000的發(fā)送緩沖區(qū)，然后將SJA1000命令寄存器的發(fā)送請(qǐng)求標(biāo)志位(TR)置位，發(fā)送過程由SJA1000獨(dú)立完成。在新報(bào)文寫入發(fā)送緩沖區(qū)之前，必須檢查狀態(tài)寄存器的發(fā)送緩沖器的狀態(tài)標(biāo)志位(TBS)，若為“1”，則發(fā)送緩沖器被釋放，可將新的報(bào)文寫入發(fā)送緩沖器；否則，發(fā)送緩沖器被鎖定，新的報(bào)文不能被寫入，發(fā)送程序可以采用中斷方式和查詢方式。在本次設(shè)計(jì)中，采用的是查詢方式。

報(bào)文的接收也是由SJA1000獨(dú)立完成的。收到的報(bào)文通過接收濾波器存放在FIFO中，第一條報(bào)文進(jìn)入接收緩沖器，由狀態(tài)寄存器的接收緩沖器狀態(tài)標(biāo)志位(RBS)和接收中斷標(biāo)志位(RI)標(biāo)出。單片機(jī)從接收緩沖器取走一條報(bào)文后，要通過置位SJA1000的命令寄存器來釋放接收緩沖器。在本次設(shè)計(jì)中，接收程序的設(shè)計(jì)采用的是中斷方式。

    2．3 A／D轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

在本次設(shè)計(jì)中采用的是12位逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器AD574。以查詢方式設(shè)計(jì)程序，通過連續(xù)查詢A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，將數(shù)據(jù)送人CPU中進(jìn)行處理，并將處理后的數(shù)據(jù)保存至6264芯片。

基于CAN總線設(shè)計(jì)的高速分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有一定的使用價(jià)值，而且價(jià)格低廉、可靠性高。同時(shí)系統(tǒng)還具有可擴(kuò)展性，在需要多通道采集的情況下只需添加少量的采樣保持芯片即可。通過對(duì)該總線系統(tǒng)的通信能力進(jìn)行測(cè)試，并將上述系統(tǒng)置于強(qiáng)干擾環(huán)境中進(jìn)行連續(xù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)使用的通信速率完全可以保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可靠傳輸，其通信效果完全滿足要求，同時(shí)上位機(jī)和底層節(jié)點(diǎn)也能夠保證相互間的協(xié)調(diào)工作。