熱網(wǎng)現(xiàn)場控制器的CAN網(wǎng)絡通信設計

摘   要：本文重點介紹了CAN總線在熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中的應用，設計了基于DSP的現(xiàn)場測控器硬件系統(tǒng)，制定了用戶層通信協(xié)議，并詳細介紹了CAN網(wǎng)絡通信部分的硬件和軟件。
關鍵詞：網(wǎng)絡通信；CAN；現(xiàn)場控制器；DSP；熱網(wǎng)監(jiān)控

引言
    目前我國北方許多城市已經(jīng)或者即將進行熱網(wǎng)改造工程，將傳統(tǒng)的分散供熱改造為集中供熱。

    由于CAN總線相比其它現(xiàn)場總線技術具有眾多優(yōu)點，因此在工業(yè)中的應用越來越廣泛。本文基于該總線技術針對熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)的現(xiàn)場控制和通信的子系統(tǒng)，能安全可靠地實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、閉環(huán)控制及數(shù)據(jù)傳輸。鑒于篇幅,本文重點介紹CAN網(wǎng)絡通信部分的設計與實現(xiàn)。

系統(tǒng)結構及其硬件構成
系統(tǒng)結構
    熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)主要由上位機和現(xiàn)場控制器組成，總體結構如圖1所示。

    熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)是在一次設備(傳感器、變送器、各種執(zhí)行機構)的基礎上完成對熱網(wǎng)的監(jiān)測與控制，通過調(diào)節(jié)熱管網(wǎng)的供水流量、供水溫度、供水壓力，來保證熱網(wǎng)安全、可靠、高效、穩(wěn)定的運行。根據(jù)上述要求，本系統(tǒng)在保證系統(tǒng)可靠工作和降低成本的條件下，考慮到通用性、實時性和可擴展性等方面的因素，采用了主要由上位計算機系統(tǒng)和現(xiàn)場控制器構成的系統(tǒng)結構。

    系統(tǒng)工作過程如下:上位機首先初始化CAN網(wǎng)卡,設置網(wǎng)卡工作模式、接收碼、接收掩碼和波特率，然后進入運行狀態(tài),在適當條件下與現(xiàn)場控制器進行通信。現(xiàn)場控制器主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與處理和現(xiàn)場設備的控制等功能,并以查詢或中斷方式與主機進行通信。

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圖1 熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)總體結構

硬件系統(tǒng)

    CAN網(wǎng)絡的拓撲結構采用總線式結構，其結構簡單、成本低、系統(tǒng)可靠性高。信息的傳輸采用CAN通信協(xié)議，通信介質(zhì)采用雙絞線。

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圖2 現(xiàn)場控制器的結構框圖

上位機

     上位機采用工控機，負責對整個系統(tǒng)進行管理。上位機通過CAN網(wǎng)卡與現(xiàn)場控制器通信，同時通過局域網(wǎng)或者公共電話交換網(wǎng)與整個工廠或者公司的計算機信息網(wǎng)絡進行連接，實現(xiàn)信息共享。上位機具有組態(tài)、數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設置、遠程控制、流程顯示、數(shù)據(jù)存儲、趨勢顯示、報表打印以及通信等功能。

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圖3 CAN網(wǎng)絡通信接口單元電路

CAN網(wǎng)卡

      CAN網(wǎng)卡是負責CAN總線與上位機之間數(shù)據(jù)交換的功能模塊。CAN網(wǎng)卡上存在兩個方向的數(shù)據(jù)交換：CAN網(wǎng)卡與上位機之間的數(shù)據(jù)交換(通過雙端口RAM實現(xiàn))以及CAN網(wǎng)卡與CAN總線之間的數(shù)據(jù)交換(由微處理器通過訪問CAN控制器的接收緩沖區(qū)以及發(fā)送緩沖區(qū)來實現(xiàn))。CAN網(wǎng)卡上的CAN控制器選用的是PHILIPS公司的SJA1000芯片。

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圖4 通用定時器周期中斷服務程序

現(xiàn)場控制器

     現(xiàn)場控制器的結構框圖如圖2所示。

　　　該現(xiàn)場控制器具有14路模擬量輸入端口、2路模擬量輸出端口、4路開關量輸入端口、4路開關量輸出端口以及時鐘接口、數(shù)據(jù)存儲接口、液晶顯示接口、網(wǎng)絡通信接口、報警輸出接口等。本系統(tǒng)采用了TI公司的帶有10位ADC和CAN控制器的DSP芯片TMS320LF2407A作為CPU。

　　　網(wǎng)絡通信接口單元是用來對CAN總線進行讀寫訪問的部分控制電路。當需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，CPU將數(shù)據(jù)交給網(wǎng)絡接口單元電路，由網(wǎng)絡接口單元電路進行數(shù)據(jù)格式轉換、串并轉換和信號形式轉換，并將數(shù)據(jù)按照CAN協(xié)議信號形式發(fā)送到CAN總線上。當CAN總線上有數(shù)據(jù)時，它負責從CAN總線上讀取數(shù)據(jù)。首先通過幀過濾功能判斷是否接收此幀，若接收，則通過與發(fā)送相反的過程，將數(shù)據(jù)交給CPU。

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表1 標識符分配方案

　　　　網(wǎng)絡通信接口單元主要由TMS320LF2407A片內(nèi)的CAN控制器及CAN收發(fā)器PCA82C250組成。CAN控制器負責對數(shù)據(jù)的格式進行轉換，承擔網(wǎng)絡通訊的控制任務。CAN收發(fā)器PCA82C250是CAN控制器和物理總線間的接口，負責信號的電平及形式轉換，可以提供對總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接收能力。為防止CAN總線上的干擾進入板卡，本系統(tǒng)采用光電隔離器件6N137來實現(xiàn)收發(fā)雙向隔離。網(wǎng)絡通信接口單元具體電路如圖3所示。

CAN通信軟件設計與實現(xiàn)
　　　　CAN遵從OSI模型，按照OSI基準模型，CAN結構劃分為兩層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。然而，在實際應用中，即使只是實現(xiàn)簡單的基于CAN的分布式系統(tǒng)，僅有物理層和數(shù)據(jù)鏈路層也是遠遠不夠的。比如對于傳輸長度超過8個字節(jié)的數(shù)據(jù)塊、帶有握手協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸過程、標識符分配以及通過網(wǎng)絡管理節(jié)點等功能就不能實現(xiàn)。

　　　　因此需要在這兩層之外附加一層來支持應用過程，即應用層。這一層功能對應OSI基準模型中的上五層，主要完成網(wǎng)絡層和傳輸層的工作，提供接口，使得通信模塊和具體應用模塊分離。針對熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，應用層協(xié)議需要通信雙方具體協(xié)商制定。

CAN通信應用層協(xié)議

　　　　現(xiàn)場控制器軟件設計中與上位機的通信是最關鍵的部分之一。針對熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，使用現(xiàn)場總線CAN網(wǎng)絡技術，制定了CAN應用層協(xié)議。應用層完成的主要工作有：標識符分配、多報文數(shù)據(jù)包的處理、報文發(fā)送與接收等。

標識符分配方案

　　　　TMS320LF2407A支持CAN 2.0B協(xié)議，本系統(tǒng)通信的信息幀采用擴展幀，具有29位標識符，標識符分配方案如表1所示。

　　　　其中，DIR表示方向。DIR=0時，表示主站向從站發(fā)送數(shù)據(jù)；DIR=1時，表示從站向主站發(fā)送數(shù)據(jù)。TYPE為報文幀類型。當TYPE.2=0時，表示點對點發(fā)送；當TYPE.2=l時，表示廣播發(fā)送。當TYPE~TYPE.0Xb時，表示單幀報文；TYPE.1~TYPE.0=11b時，表示非結束多幀報文；TYPE.1~TYPE.0=10b時，表示結束多幀報文。另外還有目標地址和源地址各七位，命令符八位。命令符是用來標識上位機對現(xiàn)場控制器的控制命令，或現(xiàn)場控制器對上位機的上傳命令。

報文的處理

　　　本設計對CAN通信中的報文處理做了以下規(guī)定：

　　　　單報文：單報文由標識符中的數(shù)據(jù)類型TYPE.1決定，當其為0時表示為單報文，此時待傳送的數(shù)據(jù)不超過8個字節(jié)，數(shù)據(jù)段中為實際傳送的數(shù)據(jù)。

　　　　多報文的首幀和中間幀：多報文的首幀和中間幀由TYPE.1～TYPE.0決定，當其為11b時表示為非結束多報文，即為多報文的首幀和中間幀，此時待傳送的數(shù)據(jù)超過8個字節(jié)，數(shù)據(jù)段中第1個字節(jié)為索引項，后7個字節(jié)為傳送的數(shù)據(jù)。

　　　　多報文的尾幀：多報文的尾幀由TYPE.1～TYPE.0決定，當其為10b時表示為結束多報文，即為多報文的尾幀，此時規(guī)定該幀中數(shù)據(jù)長度為2個字節(jié)，數(shù)據(jù)段中第1個字節(jié)為索引項，第2個字節(jié)為待傳送數(shù)據(jù)的總長度，單位為字節(jié)。

CAN通信初始化

　　　　CAN通信初始化主要是設置CAN的通信參數(shù)，包括配置位定時器和初始化郵箱兩部分。需要初始化的寄存器有：位配置寄存器2、位配置寄存器1、標識符寄存器、控制寄存器、局部屏蔽寄存器等。需要注意的是，只有當全局狀態(tài)寄存器中的改變配置使能位為高時，才能配置位定時器；當主控制器中的改變配置請求位為1，即CAN控制器處于復位工作方式時，才能配置標識符寄存器、控制寄存器和數(shù)據(jù)域。在訪問位配置寄存器時，由于其內(nèi)容決定波特率的數(shù)值，位配置寄存器的初始化字必須依據(jù)系統(tǒng)中各CAN控制器的晶振頻率而設定。

數(shù)據(jù)發(fā)送

　　　　信息從CAN控制器發(fā)送到CAN總線是由CAN控制器自動完成的。發(fā)送程序只需把要發(fā)送的信息幀送到相關的CAN寄存器，啟動發(fā)送命令即可。數(shù)據(jù)發(fā)送采用通用定時器周期中斷，定時發(fā)送已采集的數(shù)據(jù)到上位機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，以便用戶查詢。由于采集到的數(shù)據(jù)超過8個字節(jié)，所以需對數(shù)據(jù)包進行分片構造報文。通用定時器周期中斷服務程序如圖4所示。

數(shù)據(jù)接收

　　　　信息從CAN總線到CAN接收郵箱是由CAN控制器自動完成的，數(shù)據(jù)接收采用郵箱中斷。在中斷服務程序中讀取接收到的數(shù)據(jù)，對接收到的數(shù)據(jù)進行解碼，并置位相應標志位。在主程序循環(huán)中查詢標志位，當檢測到標志位被置位時，則進入相應處理程序，同時對標志位清零。

結語
　　　　應用層協(xié)議是CAN網(wǎng)絡應用的關鍵，因此該系統(tǒng)中的重點工作是在現(xiàn)場控制器與上位機之間的通信中，使用現(xiàn)場總線CAN網(wǎng)絡技術，制定了用戶層通信協(xié)議。而且本系統(tǒng)已經(jīng)完成了在實驗室階段的調(diào)試工作，通信部分能夠正常工作。本文介紹的CAN 通信設計具有很強的通用性,其成果可以應用在很多數(shù)據(jù)采集的場合。