基于CAN總線的光電經(jīng)緯儀遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

1 引言                                                                                                                 　

CAN (Controller Area Network，控制器局域網(wǎng))總線最初是德國(guó)BOSCH公司為汽車的監(jiān)測(cè)、控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的一種有效支持分布式實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，由于CAN總線具有通信率高、實(shí)時(shí)性好、可靠性高、連接方便和性價(jià)比高等特點(diǎn)，推動(dòng)了其應(yīng)用開發(fā)的迅速發(fā)展。由于CAN總線本身的特點(diǎn)，其應(yīng)用范圍目前已不再局限于汽車行業(yè)，而擴(kuò)展到了機(jī)械工業(yè)、紡織機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療機(jī)械、家用電器及傳感器等領(lǐng)域。CAN總線是目前惟一有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線，并已被公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。

然而,隨著計(jì)算機(jī)、控制、通信、網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)的發(fā)展, 信息交換的領(lǐng)域已經(jīng)覆蓋了工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場(chǎng)。為實(shí)現(xiàn)工業(yè)企業(yè)的綜合自動(dòng)化, 需要建立包含從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到企業(yè)控制層、管理層等各個(gè)層次的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。以太網(wǎng)以其能便捷地訪問(wèn)遠(yuǎn)程系統(tǒng)、共享/訪問(wèn)多數(shù)據(jù)庫(kù)等優(yōu)勢(shì),許多現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)最終都連接到以太網(wǎng)。

本文從大型光電跟蹤設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化出發(fā)，設(shè)計(jì)一種基于CAN總線網(wǎng)絡(luò)的光電經(jīng)緯儀的遠(yuǎn)程通信方案。

2 光電經(jīng)緯儀內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 CAN總線技術(shù)特點(diǎn)

CAN總線可有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制。該總線的通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖，其主要特點(diǎn)如下： CAN總線為多主站總線，各節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，且不分主從： CAN總線采用獨(dú)特的非破壞性總線仲裁技術(shù)，高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先傳送數(shù)據(jù)，故實(shí)時(shí)性好； CAN總線具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播傳送數(shù)據(jù)的功能；CAN總線采用短幀結(jié)構(gòu)，每幀有效字節(jié)數(shù)最多為8個(gè)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間短，并有CRC及其它校驗(yàn)措施，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低； CAN總線上某一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，可自動(dòng)脫離總線，而總線上的其他操作不受影響； CAN總線系統(tǒng)擴(kuò)充時(shí)，可直接將新節(jié)點(diǎn)掛在總線上，因而走線少，系統(tǒng)擴(kuò)充容易，改型靈活； CAN總線的最大傳輸速率可達(dá)1Mb/s，直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)到10km（速率在5kbps以下）； CAN總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)取決于總線驅(qū)動(dòng)電路。在標(biāo)準(zhǔn)幀（11位報(bào)文標(biāo)識(shí)符）時(shí)可達(dá)到110個(gè)，而在擴(kuò)展幀（29位報(bào)文標(biāo)識(shí)符）時(shí)，個(gè)數(shù)不受限。     

2.2 光電經(jīng)緯儀CAN總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

光電經(jīng)緯儀之間的實(shí)時(shí)通信在傳統(tǒng)上使用串行接口，但其存在較多的先天性缺陷：通信速率低、傳輸距離短、線路利用率低、容錯(cuò)性差、不易擴(kuò)展、難以維修和測(cè)試。CAN總線應(yīng)用于光電經(jīng)緯儀內(nèi)部通訊可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高通訊實(shí)時(shí)性、傳輸速率，降低誤碼率，具有較好的抗電磁干擾性和系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

在任何測(cè)控系統(tǒng)中，都要通過(guò)測(cè)量裝置獲取環(huán)境和相關(guān)的輸入?yún)?shù)，然后執(zhí)行控制算法，做出相應(yīng)的控制決策，啟動(dòng)執(zhí)行設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制?；诂F(xiàn)場(chǎng)總線建立的測(cè)控系統(tǒng)將單個(gè)分散的測(cè)量?jī)x表和控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，將控制系統(tǒng)中所需的基本控制、補(bǔ)償計(jì)算、參數(shù)修改、報(bào)警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化等功能也分散到各個(gè)節(jié)點(diǎn)中。因而總線上的節(jié)點(diǎn)應(yīng)該具有總線通信功能、測(cè)量或控制功能，還要具有相當(dāng)?shù)膮f(xié)調(diào)能力，這必然離不開微處理器，這種類型的節(jié)點(diǎn)稱為智能節(jié)點(diǎn)。

大型光電經(jīng)緯儀是一種多傳感器融合的測(cè)控設(shè)備，一般由機(jī)上數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，機(jī)上控制系統(tǒng)，調(diào)焦系統(tǒng)，激光系統(tǒng)，衛(wèi)星電視系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)，紅外電視系統(tǒng)，編碼器電控系統(tǒng)等分系統(tǒng)組成，不同型號(hào)的經(jīng)緯儀內(nèi)部系統(tǒng)構(gòu)成不同。

以上述八個(gè)系統(tǒng)組成為例設(shè)計(jì)光電經(jīng)緯儀內(nèi)部通信系統(tǒng)架構(gòu)^[1]如下：

圖1 光電經(jīng)緯儀內(nèi)部CAN通信網(wǎng)絡(luò)

 在圖1所示CAN總線網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)分系統(tǒng)都是一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，各分系統(tǒng)共用總線實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳送。在這種由CAN總線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的通信系統(tǒng)中，每一個(gè)分系統(tǒng)完成自身的數(shù)據(jù)的采集、處理，把需要跟其它分系統(tǒng)交互通信的信息發(fā)送到總線上，比如狀態(tài)信息、命令信息等等。各個(gè)分系統(tǒng)之間可以完成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)以及廣播式數(shù)據(jù)通信。

2.3 CAN智能節(jié)點(diǎn)的硬件架構(gòu)

本系統(tǒng)中，CAN節(jié)點(diǎn)采用： ECU（AT89C51）＋CAN控制器（SJA1000）＋CAN收發(fā)器（PCA82C250）的電路結(jié)構(gòu)，CAN總線控制器、總線驅(qū)動(dòng)器和單片機(jī)連接基本方法^[2]如圖2：

2.4光電經(jīng)緯儀內(nèi)部通信系統(tǒng)中CAN應(yīng)用層協(xié)議

本協(xié)議遵循CAN2.0B規(guī)范，根據(jù)經(jīng)緯儀內(nèi)部各系統(tǒng)相互之間通信方式的特點(diǎn)，采用源→目的方法，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自己固定的標(biāo)識(shí)地址，且節(jié)點(diǎn)數(shù)小于64，設(shè)計(jì)時(shí)把機(jī)上數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)作為主節(jié)點(diǎn)，而將機(jī)上控制系統(tǒng)，調(diào)焦系統(tǒng)，激光系統(tǒng)，衛(wèi)星電視系統(tǒng)，導(dǎo)航電視系  

圖2  CAN總線接口電路原理圖

統(tǒng)，紅外電視系統(tǒng)，編碼器電控系統(tǒng)設(shè)置為從節(jié)點(diǎn)。本協(xié)議可完成以下功能： （1）特定信息的廣播(廣播幀)； （2）任意節(jié)點(diǎn)之間的連接（單播幀）； （3）點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的信息交換（組播幀）。 本設(shè)計(jì)中SJA1000工作在PeliCAN模式，它支持標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀兩種幀格式，采用單濾波和雙濾波兩種模式實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的組播、廣播和單播^[5]。組播幀采用標(biāo)準(zhǔn)幀格式，單濾波模式，廣播和單播幀采用擴(kuò)展幀格式，雙濾波模式。 組播、廣播和單播幀的標(biāo)識(shí)符分配如圖3所示：

圖3 幀標(biāo)識(shí)符分配

    自定義的標(biāo)識(shí)符可以設(shè)置成命令屬性或狀態(tài)、報(bào)告等等。對(duì)所有的命令或狀態(tài)、數(shù)據(jù)、報(bào)告屬性、除定時(shí)采集發(fā)送的數(shù)據(jù)外，原則上均需應(yīng)答（發(fā)送確認(rèn)幀以保證通訊正常）。

3 光電經(jīng)緯儀內(nèi)部CAN網(wǎng)絡(luò)與Internet連接的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

人們往往采用嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)僅能連接以太網(wǎng)與CAN 總線的網(wǎng)關(guān)用來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)的連接。將這種應(yīng)用方案應(yīng)用在大型光電跟蹤設(shè)備上就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光電跟蹤設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控以及信息的共享。通過(guò)遠(yuǎn)程控制來(lái)實(shí)現(xiàn)不適合人員長(zhǎng)期操控或惡劣環(huán)境下的無(wú)

人操作測(cè)量，無(wú)人操控測(cè)量可以減少測(cè)量結(jié)果中的人為誤差，使測(cè)控更加地精確。

3.1 嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，嵌入式網(wǎng)關(guān)通過(guò)以太網(wǎng)控制器接口與以太網(wǎng)相連，通過(guò)CAN控制器接口與現(xiàn)場(chǎng)總線相連，硬件連接框圖如圖4所示。

圖4中采用集成CAN通信控制器的MC68HC05X16單片機(jī)和RTL8019AS以太網(wǎng)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN與以太網(wǎng)的連接。RTL8019AS是臺(tái)灣Realtek公司制造的一種高集成度的全雙工10Mbps 以太網(wǎng)控制芯片^[4]，可實(shí)現(xiàn)基于Ethernet協(xié)議的MAC層的全部功能，內(nèi)置16KB的SRAM、雙DMA通道和FIFO，可完成數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送功能。MC68HC05X16采用RTL8019AS同以太網(wǎng)上的操作站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過(guò)內(nèi)置CAN控制器與CAN總線上其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在交互過(guò)程中MC68HC05X16依據(jù)應(yīng)用要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

處理器MC68HC05XI6負(fù)責(zé)對(duì)以太網(wǎng)控制器RTL8019AS和SJAIO00的控制。微處理器內(nèi)駐有TCP／IP通信協(xié)議和CAN協(xié)議，完成以太網(wǎng)協(xié)議和CAN總線協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)和CAN間的數(shù)據(jù)通信。

4 軟件設(shè)計(jì)

通信軟件包括RTLS019AS和CAN的發(fā)送、接收程序。對(duì)于CAN的發(fā)送接收程序在文獻(xiàn)[2]中已給出詳細(xì)程序，由于篇幅限制此處不再贅述。對(duì)RTLS019AS的軟件操作，有查詢和中斷方式有實(shí)時(shí)性要求的環(huán)境一般采用中斷方式處理RTLS019AS數(shù)據(jù)的收發(fā)。程序入口根據(jù)讀取的RTLS019AS中斷狀態(tài)寄存器(ISR)值進(jìn)行相應(yīng)處理

以太網(wǎng)通信部分的軟件主要有兩部分：一是RTL8019AS的驅(qū)動(dòng)程序（包括RTL8019AS初始化、以太網(wǎng)報(bào)文的接收和發(fā)送）；二是為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸而進(jìn)行的TCP/IP協(xié)議處理，將從光電經(jīng)緯儀采集到的數(shù)據(jù)按TCP/IP協(xié)議進(jìn)行封裝，使數(shù)據(jù)能夠通過(guò)Internet直接傳輸?shù)侥康闹鳈C(jī)上。RTL8019AS初始化的過(guò)程實(shí)際上就是完成對(duì)RTL8019AS的內(nèi)部寄存器的配置，確定發(fā)送和接收條件，并對(duì)以太網(wǎng)控制芯片緩沖區(qū)進(jìn)行劃分。

收發(fā)數(shù)據(jù)的過(guò)程實(shí)際上就是通過(guò)DMA對(duì)RTL8019AS內(nèi)部RAM進(jìn)行讀寫操作的過(guò)程^[3]。8019接收緩沖區(qū)實(shí)際上是一個(gè)循環(huán)FIFO（先進(jìn)先出）隊(duì)列，芯片內(nèi)RAM讀寫操作不采用中斷方式，而是以查詢方式，即CURR（當(dāng)前頁(yè)寄存器）值是否等于BNRY+1來(lái)判斷是否接收到新數(shù)據(jù)。接收流程圖如圖5所示

圖5 RTL8019AS數(shù)據(jù)接收流程圖

當(dāng)MC68HC05XI6接收到來(lái)自以太網(wǎng)的TCP數(shù)據(jù)報(bào)，標(biāo)志位置1，在CAN處理子程序中，根據(jù)該標(biāo)志位判斷是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送給另一節(jié)點(diǎn)。在具體調(diào)試時(shí)使一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)每隔一段時(shí)間向網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送一些數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)后，通過(guò)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)，上位機(jī)通過(guò)超級(jí)終端顯示接收的數(shù)據(jù)。同樣，可以通過(guò)超級(jí)終端發(fā)送一些鍵入的數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換模塊傳給另一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)，從而改變它的一些內(nèi)部數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是將CAN總線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于大型光電測(cè)控設(shè)備，從而簡(jiǎn)化了設(shè)備的龐大復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并且由于CAN自身的優(yōu)點(diǎn)，使得設(shè)備的可靠性、數(shù)據(jù)傳輸速率均得到提高，并且降低了誤碼率?，F(xiàn)場(chǎng)技術(shù)與控制技術(shù)相結(jié)合使現(xiàn)場(chǎng)總線在以太網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，CAN網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)的連接可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光電經(jīng)緯儀的遠(yuǎn)程操控以及信息共享，這已成為測(cè)控領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉曉晶，續(xù)志軍，絕對(duì)式光電軸角編碼器CAN總線接口[J]，微計(jì)算機(jī)信息，2007，23：1-2

[2]饒運(yùn)濤,鄒繼軍,鄭勇蕓.現(xiàn)場(chǎng)總線CAN 原理與應(yīng)用技術(shù)[M],北京航空航天大學(xué)出版社

[3]杜尚豐，曹曉鐘，徐津.CAN總線測(cè)控技術(shù)及其應(yīng)用[M]，電子工業(yè)出版社

[4] 林士兵，袁 焱，楊煜普.TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)與CAN 網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J],計(jì)算機(jī)工程2007.02

[5]孫立輝，和志強(qiáng).基于SJA1000的CAN總線系統(tǒng)中廣播和組播的實(shí)現(xiàn)[J]，儀表技術(shù)與傳感器，2003