過程分析儀器CAN網(wǎng)絡通信設計

引言

　　現(xiàn)代流程工業(yè)的過程控制中，分析檢測具有在線、多組分、實時檢測的特點，對分析儀器在穩(wěn)定、可靠、快速、準確等方面有著嚴格的要求。而廣泛使用的工業(yè)色譜儀采用色譜分離原理，分析周期長達數(shù)分鐘至數(shù)十分鐘，難以實現(xiàn)過程的直接質(zhì)量控制。過程拉曼光譜儀和激光調(diào)制光譜儀等新技術目前價格昂貴，關鍵技術尚在研究階段，難以普及。利用技術成熟的單檢測器單組分過程分析儀器，通過分析傳感器組合技術和嵌入式計算機技術，實現(xiàn)多組分實時檢測和建立簡便快捷的分析儀器通信網(wǎng)絡系統(tǒng)已成為近期國內(nèi)外分析儀器研發(fā)的熱點之一。

　　基于單片機（80C196）或微處理器（DSP、ARM 等）的多組分氣體分析儀采用功能強大的CPU，可實時快速測定各種燃燒設備的各項熱工參數(shù)。根據(jù)測量數(shù)據(jù)，通過自動調(diào)節(jié)裝置調(diào)整風量，保持適當?shù)目諝猓剂媳?，使燃料系統(tǒng)達到最佳運行狀態(tài)，以獲得最高的燃燒效率和最低的燃料消耗。儀器還可以測定CO、SO2、NO、NO2、煙氣黑度等參數(shù)，并配有液晶屏、鍵盤等外設。

　　CAN（Controll Area Network）是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，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時控制，并且具有很高的安全性和高達1Mbps的通信速率。

　　一個包含PC 機和n－1（n≤110）個智能節(jié)點的CAN 總線網(wǎng)絡結構圖如圖1 所示。
 

圖1 n 個節(jié)點的CAN 網(wǎng)絡結構圖

　　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)絡應用層協(xié)議的制定

　　CAN 的國際標準中只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的規(guī)范，由于本項目構建的CAN 總線網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)目不多，所有節(jié)點都由項目組自行設計，不需要與國際標準設備進行接口，所以，這里根據(jù)本項目的具體情況，制定了一個簡易的CAN 應用層協(xié)議。

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

　　在CAN 系統(tǒng)中，以11 位（標準幀）或29 位（擴展幀）的標識符來標識數(shù)據(jù)的含義，標識符決定了信息的優(yōu)先權和等待時間，同時也影響信息濾波的適用性。因而，合理、高效的信息標識符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 個郵箱，在SCC 模式下0-15 郵箱可用，在eCAN 模式下，32 個郵箱全部可用，可以很方便地實現(xiàn)主節(jié)點對從節(jié)點信息的接收和存儲。故推薦采用主控制器為F2812 的分析儀器作為該網(wǎng)絡中的主節(jié)點，選擇eCAN 模式，使用標準標識符（11 位），對其進行如表1 所示的靜態(tài)分配策略，即可滿足上位機和主節(jié)點識別幀來源和幀意義的要求。

　　2 網(wǎng)絡通信程序

　　2.1 上位機端初始化

　　上位機端主要完成對各分析平臺分析結果的采集、顯示，使用PC 機加CAN 通訊卡KPCI-8110。KPCI-8110 上集成了獨立的CAN 控制器SJA1000。SJA1000 用于移動目標和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡控制(CAN)，在使用前要先對其進行初始化。

　　上位機顯示界面采用適合快速開發(fā)的可視化面向?qū)ο蟾呒壵Z言VB 來編寫。KPCI-8110CAN 適配卡提供.dll 驅(qū)動和.lib 庫函數(shù)，通過在VB 程序中調(diào)用相關的驅(qū)動函數(shù)就可以實現(xiàn)CAN 適配卡的配置和數(shù)據(jù)的讀寫。

　　上位機端接收數(shù)據(jù)的流程如圖2 所示。

圖2 上位機接口函數(shù)使用流程圖

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

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

　　注意：由于SJA1000 CAN 控制器每個地址存儲8 位數(shù)據(jù)，而F2812 內(nèi)置CAN 控制器每個地址存儲16 位數(shù)據(jù)，而且標準數(shù)據(jù)幀的標識符也不是從字節(jié)的起始位開始的，所以定義標識符的時候要按照不同控制器的要求來定義。例如F2812 內(nèi)置CAN 控制器定義數(shù)據(jù)幀標識符為344 0000（bit28-bit18 為標識符位），SJA1000 獨立控制器對應的標識符應為1A20（bit15－bit5 為標識符位）。2.2 分析儀器CAN 網(wǎng)絡通信程序設計

　　智能節(jié)點分析儀器端的編程采用 C 語言與匯編語言相結合的方式，采用結構化程序設計方案，可讀可移植性好。流程如圖3 和4 所示。

圖3 分析儀器主節(jié)點程序流程圖

　　主節(jié)點在接收到從節(jié)點傳送過來的數(shù)據(jù)后，在接收成功引起的中斷處理程序中對數(shù)據(jù)進行處理，然后轉(zhuǎn)存到主節(jié)點的發(fā)送郵箱中，等待發(fā)送給上位機。在進行數(shù)據(jù)處理的時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，這個過程中要注意借助指針來完成。如下所示：

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

　　receiveboxl = Mailbox->MDRL.all;

　　receiveboxh = Mailbox->MDRH.all;

圖4 分析儀器從節(jié)點程序流程圖

　　3 實驗結果及分析

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

圖5 上位機接收界面

　　在對節(jié)點和上位機的通信進行試驗的時候發(fā)現(xiàn)，在單獨使用eCAN 模塊發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時，通信情況良好，發(fā)送和接收的幀數(shù)相同。

　　需要注意的是，在運行DSP 多組分氣體分析平臺的整個軟件程序時，在較短時間內(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 中斷服務子程序的處理時間，這樣就可以減少對CAN 發(fā)送中斷程序的影響。

　　經(jīng)實驗證明，以上分析和判斷是正確的，網(wǎng)絡通信狀況良好，無丟幀現(xiàn)象。

　　4 總結

　　該網(wǎng)絡通信系統(tǒng)在試驗中得到了良好的效果，滿足了多組分分析儀器的設計要求。