CAN應(yīng)用層MWCPro協(xié)議在微波控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

摘 要： 針對(duì)現(xiàn)階段大陣列磁控管控制系統(tǒng)存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高等問題，提出了一種基于CAN總線的解決方案。該方案中自定義了CAN總線應(yīng)用層協(xié)議MWCPro，該協(xié)議綜合了國(guó)際上廣泛采用的CANOpen、DeviceNet以及iCAN等應(yīng)用層協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)微波控制系統(tǒng)的特點(diǎn)所創(chuàng)建。闡述了MWCPro協(xié)議的報(bào)文結(jié)構(gòu)、軟硬件實(shí)現(xiàn)及其在大陣列磁控管控制系統(tǒng)中的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞： CAN總線；MWCPro應(yīng)用層協(xié)議；微波；控制系統(tǒng)

微波作為一種新能源，因其環(huán)保和高效得到蓬勃發(fā)展，其中微波加熱技術(shù)被廣泛采用。一般的微波加熱設(shè)備控制系統(tǒng)采用PLC+觸摸屏[1]，如果是集中控制方案，在小型工業(yè)微波控制系統(tǒng)中使用良好，但是在大陣列磁控管控制系統(tǒng)中就會(huì)出現(xiàn)線束過多、安裝及調(diào)試或檢修困難的情況；如果是分布式控制方案，則PLC的成本就會(huì)大大提高。而CAN總線成本低、效率高、抗干擾能力強(qiáng)、便于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)可以彌補(bǔ)PLC+觸摸屏的控制方式下大陣列磁控管控制系統(tǒng)的不足。
CAN總線是國(guó)際上廣泛應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，其模型結(jié)構(gòu)[2]相對(duì)于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織開放系統(tǒng)互連模型(OSI)只有三層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。為了使其應(yīng)用更加廣泛靈活，CAN的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11898中只規(guī)定了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)，沒有定義應(yīng)用層，用戶需要根據(jù)需求制定具體的應(yīng)用層協(xié)議。目前在多種已成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用層協(xié)議中CANOpen[3]和DeviceNet[4]使用最為廣泛。CANOpen的協(xié)議原型是Bosch公司在1993年提出的，它一般用于機(jī)械的嵌入式網(wǎng)絡(luò)中；DeviceNet由Allen-Bradley公司開發(fā)，目前在美國(guó)和亞洲的工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)上處于領(lǐng)導(dǎo)地位；國(guó)內(nèi)工控領(lǐng)域使用較為廣泛的是周立功公司推出的iCAN[5]。這三種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用廣泛，且便于和其他設(shè)備互聯(lián)，但是對(duì)于一些相對(duì)簡(jiǎn)單和獨(dú)立的控制系統(tǒng)，它們并不適用且過于復(fù)雜，某些協(xié)議還需要付費(fèi)使用。
因此針對(duì)微波控制領(lǐng)域，定義了一種新的CAN總線應(yīng)用協(xié)議——微波控制協(xié)議MWCPro（MicroWave Control Protocol）。
1 MWCPro協(xié)議在大陣列磁控管控制系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)
制定CAN總線應(yīng)用層協(xié)議時(shí)，需要考慮以下幾個(gè)方面：報(bào)文標(biāo)識(shí)符的設(shè)計(jì)、多主或主從結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)的交換方式以及網(wǎng)絡(luò)的管理等。
在大陣列磁控管控制系統(tǒng)中，有整體控制、分組控制和單個(gè)控制的要求，因此每個(gè)磁控管都要有唯一的地址。采用主從式結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)的交換方式為主機(jī)向從機(jī)發(fā)送命令，從機(jī)返回?cái)?shù)據(jù)以響應(yīng)主機(jī)命令，從機(jī)只可以主動(dòng)報(bào)警。在整個(gè)系統(tǒng)中，固定一定數(shù)目的從機(jī)為一組，屬于分布式控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中G0代表第0組，Gn代表第n組；S0代表第0個(gè)從機(jī)，Sm代表第m個(gè)從機(jī)。
1.1 協(xié)議介紹
報(bào)文ID的設(shè)定是應(yīng)用層協(xié)議最主要的部分，它涉及報(bào)文的優(yōu)先權(quán)、延時(shí)、報(bào)文濾波的使用、可能形成的通信結(jié)構(gòu)和標(biāo)識(shí)符使用的效率等。該系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單獨(dú)立，因此采用CAN 2.0A標(biāo)準(zhǔn)的11位標(biāo)識(shí)符外加兩個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)作為每幀的ID，如表1所示。

組別號(hào)和從機(jī)號(hào)的組合除去廣播所用，共有105種，即整個(gè)系統(tǒng)可以有105個(gè)節(jié)點(diǎn)(主機(jī)或從機(jī))。若選擇常用的Philips 82C250作為總線收發(fā)器，CAN節(jié)點(diǎn)數(shù)目已基本接近其極限110個(gè)。如果需要進(jìn)一步擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，以掛接更多的節(jié)點(diǎn)，則可以把標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)志符改為29位的擴(kuò)展標(biāo)志符，并利用網(wǎng)控器進(jìn)行擴(kuò)展[6]。
1.2 協(xié)議設(shè)計(jì)
磁控管控制系統(tǒng)的功能需求包括：首先確定通信和工作都正常的微波源的個(gè)數(shù)以及控制終端之間有無地址沖突；選擇全部、分組或者單個(gè)微波源啟動(dòng)或停止；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)微波源的各項(xiàng)參數(shù)值，如電流、電壓、溫度、反射功率以及微波泄漏功率等；運(yùn)行途中各微波源的值若超出設(shè)定的閾值（該閾值可修改），或者微波源本身出現(xiàn)故障（偶然故障或永久性故障），則實(shí)時(shí)報(bào)警，并且系統(tǒng)要采取相應(yīng)的措施停止相關(guān)功能的繼續(xù)運(yùn)行。
根據(jù)以上功能要求設(shè)計(jì)了8種命令碼：
ORD0：報(bào)警幀（數(shù)據(jù)幀），無廣播形式，從機(jī)發(fā)送主機(jī)讀取，優(yōu)先權(quán)最高。為實(shí)現(xiàn)同時(shí)報(bào)警，功能碼和子功能碼中的每一位代表一種報(bào)警，即16種報(bào)警。
ORD1：輪詢?cè)诰€（遠(yuǎn)程幀），主機(jī)依次發(fā)送ORD1命令給各個(gè)從機(jī)，從機(jī)接收后返回一個(gè)確認(rèn)幀，以便主機(jī)確認(rèn)該從機(jī)依舊在線。
ORD2：計(jì)算通信往返時(shí)間(遠(yuǎn)程幀)，在確定所有從機(jī)都在線時(shí)，計(jì)算主機(jī)與從機(jī)之間一幀數(shù)據(jù)平均的往返時(shí)間。該往返時(shí)間將作為判斷從機(jī)響應(yīng)是否超時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)。
ORD3：索要從機(jī)數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)幀），無廣播形式，從機(jī)發(fā)送主機(jī)讀取。
ORD4：從機(jī)地址沖突檢測(cè)（遠(yuǎn)程幀），每個(gè)從機(jī)都向其所在組的其他從機(jī)發(fā)送ORD4，其他從機(jī)接收到ORD4后將所接收ID中的地址位與自身地址進(jìn)行比較，若相同則以O(shè)RD0命令向主機(jī)報(bào)告地址沖突，否則無需響應(yīng)此消息；主機(jī)本身不對(duì)ORD4進(jìn)行處理。
ORD5：廣播命令（遠(yuǎn)程幀），開從機(jī)。
ORD6：廣播命令（遠(yuǎn)程幀），關(guān)從機(jī)。
ORD7：修改從機(jī)參數(shù)（數(shù)據(jù)幀），無廣播形式，主機(jī)發(fā)送從機(jī)執(zhí)行。
ORD8～ORDF為預(yù)留命令碼。
2 MWCPro協(xié)議在大陣列磁控管控制系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)
2.1 硬件實(shí)現(xiàn)
通過對(duì)比目前市場(chǎng)上常見的各種芯片，最終選擇意法半導(dǎo)體公司的STM32F103VBT6作為主芯片，該芯片為基于ARM Cortex-M3核心的32位控制器，它的突出優(yōu)點(diǎn)是：內(nèi)核結(jié)構(gòu)先進(jìn)、功耗控制優(yōu)秀、接口豐富、處理速度高、全系列軟件與封裝高度兼容、性價(jià)比高等。
2.2 軟件實(shí)現(xiàn)
整個(gè)系統(tǒng)屬于主從控制，除了主動(dòng)報(bào)警，從機(jī)只能被動(dòng)地按主機(jī)的要求進(jìn)行操作。軟件部分實(shí)現(xiàn)流程如圖2。

3 協(xié)議應(yīng)用
實(shí)際應(yīng)用中，共有9個(gè)微波發(fā)射終端，分為三組，每組三個(gè)從機(jī)，上位機(jī)采用運(yùn)行WinCE系統(tǒng)的觸摸屏。人機(jī)界面如圖3所示。主要頁(yè)面有微波控制、實(shí)時(shí)曲線、溫度曲線設(shè)置、選項(xiàng)參數(shù)、溫度記錄以及事件記錄共六項(xiàng)。在微波監(jiān)控界面可以看到系統(tǒng)分為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式，手動(dòng)模式下可以自主選擇需要開啟的從機(jī)，通過手動(dòng)開關(guān)微波發(fā)射終端控制各段爐溫；自動(dòng)模式下默認(rèn)啟動(dòng)所有處于啟用狀態(tài)的從機(jī)，自動(dòng)啟動(dòng)和停止相關(guān)微波發(fā)射終端來控制各段爐溫處于設(shè)定溫度范圍內(nèi)。該系統(tǒng)根據(jù)材料燒結(jié)工藝將爐身分為四個(gè)溫區(qū)：預(yù)熱段、燒結(jié)段1、燒結(jié)段2和緩冷段。圖3所示系統(tǒng)當(dāng)前工作在手動(dòng)模式，啟動(dòng)了預(yù)熱段A組的1和2號(hào)、燒結(jié)段I以及燒結(jié)段II的所有從機(jī)(緩冷段不需要加熱)。通過此界面可顯示以下6項(xiàng)報(bào)警：地址沖突、爐門、冷卻水、過流、欠流及超溫。

該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：
(1)采用時(shí)間觸發(fā)與事件觸發(fā)相結(jié)合的方式，將周期的數(shù)據(jù)請(qǐng)求幀與非周期的報(bào)警信息幀分別進(jìn)行處理，大大提高了系統(tǒng)的靈活性和實(shí)時(shí)性。在該協(xié)議運(yùn)行過程中，數(shù)據(jù)傳送穩(wěn)定、報(bào)警及時(shí)，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)實(shí)用可靠。
(2)相比之前的PLC+觸摸屏的控制系統(tǒng)，CAN總線的控制方法不僅簡(jiǎn)單高效，還大大降低了控制系統(tǒng)的成本。
該控制系統(tǒng)采用觸摸屏作為上位機(jī)，但觸摸屏本身不具備CAN接口，這時(shí)就需要轉(zhuǎn)換。根據(jù)系統(tǒng)需求及低成本、通用性等因素的綜合考慮，最終選擇利用STM32-
F103VBT6內(nèi)部的串口作為與觸摸屏通信的接口，采用Modbus協(xié)議，即在芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)CAN/RS232的轉(zhuǎn)換，它既能滿足系統(tǒng)需求，又不會(huì)增加額外的成本，并且大多數(shù)單片機(jī)都有RS232接口，通用性較強(qiáng)。使用過程中CAN/RS232的內(nèi)部轉(zhuǎn)換能夠滿足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。
上述觸摸屏控制系統(tǒng)在從機(jī)數(shù)目較多或者單機(jī)信息交換量較大的情況下，限于RS232的速率，有可能會(huì)造成數(shù)據(jù)堵塞。解決這個(gè)問題可以采用以下途徑：采用PC機(jī)加CAN/USB或CAN/PCI轉(zhuǎn)換接口代替觸摸屏加CAN/RS232，因?yàn)镽S232的最大傳輸速率只有115.2 kb/s，而USB2.0的傳輸速率為480 Mb/s，為RS232的4 266倍；PCI的速率更是可以達(dá)到1 064 Mb/s，為RS232的9 457倍。因此這兩種途徑可以很好地解決數(shù)據(jù)堵塞問題。同時(shí)由于PC機(jī)可以直連的從機(jī)為110個(gè)(CAN總線本身性質(zhì)的限制)，如果要繼續(xù)擴(kuò)展，加網(wǎng)控器[6]就可以使掛接的從機(jī)數(shù)成倍增加。即使是超大矩陣終端系統(tǒng)，采用以上兩種方案也完全可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。
基于MWCPro應(yīng)用層協(xié)議的CAN總線控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中數(shù)據(jù)傳輸速度快、配置靈活，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。雖然MWCPro協(xié)議是針對(duì)微波控制領(lǐng)域設(shè)計(jì)的，但是它的命令碼和功能碼便于修改，系統(tǒng)容易擴(kuò)展，所以該協(xié)議也可以在其他較為簡(jiǎn)單獨(dú)立的控制系統(tǒng)中使用，具有較強(qiáng)的實(shí)用性與通用性。
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