采用CAN總線和CCll00芯片的嵌入式遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

引言

　　文中提出了一種基于無(wú)線測(cè)控的工業(yè)通信分布式網(wǎng)絡(luò)模型，它將嵌入式技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，采用兩級(jí)組網(wǎng)方式，將有線與無(wú)線技術(shù)結(jié)合起來(lái)，并結(jié)合嵌入式硬件平臺(tái)和無(wú)線通信模塊，解決了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題。該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、結(jié)構(gòu)小巧、開(kāi)發(fā)費(fèi)用低廉，在現(xiàn)代工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)揮了經(jīng)濟(jì)效益。

　　1、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

　　分布式網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)際方案如圖1所示。

　　圖1 分布式網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)際方案

　　該方案中，服務(wù)器采用嵌入式硬件平臺(tái)，基于Linux操作系統(tǒng)，建立嵌入式Web服務(wù)器和分布式現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)控應(yīng)用程序。測(cè)控應(yīng)用程序通過(guò)驅(qū)動(dòng)CAN總線模塊，以輪詢(xún)方式實(shí)現(xiàn)嵌入式平臺(tái)與終端節(jié)點(diǎn)之間的通信。數(shù)據(jù)采集器使用無(wú)線通信與各終端設(shè)備連接，通過(guò)無(wú)線傳輸方式負(fù)責(zé)對(duì)測(cè)控應(yīng)用程序發(fā)出命令進(jìn)行響應(yīng)，啟動(dòng)無(wú)線通信過(guò)程，完成分布式現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集和控制動(dòng)作執(zhí)行。

　　系統(tǒng)采用了分級(jí)組網(wǎng)的方式，由有線和無(wú)線通信兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)組成?？紤]到工業(yè)干擾比較嚴(yán)重，以及通信范圍能有較大的冗余，嵌入式服務(wù)器與數(shù)據(jù)采集器之間使用有線網(wǎng)絡(luò)，采用CAN總線傳輸。另外，系統(tǒng)使用了數(shù)據(jù)采集器作為中間媒介，將無(wú)線終端和ARM主控機(jī)連接在一起，解決了無(wú)線系統(tǒng)因受通信距離、空闖布局、外部干擾等因素的限制，致使無(wú)線通信的節(jié)點(diǎn)無(wú)法直接與主控機(jī)通信的問(wèn)題。對(duì)附近的無(wú)線終端，數(shù)據(jù)采集器使用無(wú)線信道通信，對(duì)主控機(jī)，使用CAN連接，這樣就較好地解決了應(yīng)用環(huán)境對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的不利影響。而且，更為重要的是，可根據(jù)實(shí)際需要使用你N個(gè)數(shù)據(jù)采集器分別掛在CAN總線上，采用N個(gè)頻段傳輸，減少了無(wú)線通信中的沖突，增加了通信的可靠性。

　　系統(tǒng)由客戶(hù)端瀏覽器、嵌入式服務(wù)器平臺(tái)、無(wú)線通信模塊3部分組成?？蛻?hù)端瀏覽器是運(yùn)行在桌面計(jì)算機(jī)中的通用瀏覽器應(yīng)用程序;嵌入式服務(wù)器是以S3C2410A芯片為核心組建的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái);無(wú)線通信模塊由數(shù)據(jù)采集器和終端節(jié)點(diǎn)2部分構(gòu)成，是以CCll00無(wú)線通信芯片和8051F310單片機(jī)為核心構(gòu)成的測(cè)控執(zhí)行部件。其中嵌入式服務(wù)器平臺(tái)是系統(tǒng)的核心部件，基于Linux操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行測(cè)控?cái)?shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)及與遠(yuǎn)程客戶(hù)端瀏覽器的數(shù)據(jù)交互。

　　通過(guò)公共網(wǎng)關(guān)接口CGI(Common Gateway Interface)實(shí)現(xiàn)嵌入式Web服務(wù)器和分布式現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)控應(yīng)用程序接口。CGI使編寫(xiě)的程序處理wwW上客戶(hù)端送來(lái)的表單和數(shù)據(jù)，并對(duì)此做出響應(yīng)，這樣可使編寫(xiě)的程序和Web服務(wù)器間的接口標(biāo)準(zhǔn)化。

　　嵌入式服務(wù)器正常工作要引入文件系統(tǒng)。Linux操作系統(tǒng)可以提供文件系統(tǒng);同時(shí)利用Linux操作系統(tǒng)自身所帶的TCP/IP協(xié)議棧，只要在應(yīng)用層上利用操作系統(tǒng)提供的網(wǎng)絡(luò)API編寫(xiě)服務(wù)器端程序即可，從而節(jié)省了開(kāi)發(fā)時(shí)間。

　　2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　對(duì)于一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)相當(dāng)重要，一方面要考慮所選擇的器件是否適合應(yīng)用要求，硬件資源是否足夠用來(lái)編程調(diào)試并保證系統(tǒng)性能優(yōu)良;另一方面硬件資源要在滿(mǎn)足系統(tǒng)需求前提下盡可能降低成本。考慮以上因素，服務(wù)器的硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，分為嵌入式服務(wù)器模塊、CAN通信接口模塊、無(wú)線測(cè)控模塊3部分。

　　2.1 嵌入式服務(wù)器模塊設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)的嵌入式服務(wù)器平臺(tái)的設(shè)計(jì)如圖2所示。

　　圖2 嵌入式服務(wù)器設(shè)計(jì)方案

　　基于S3C2410A擴(kuò)展了CAN接口模塊、sD卡等，CPU采用$3C2410A微處理器作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。S3C2410A是基于ARM920內(nèi)核開(kāi)發(fā)的32位RISC微處理器，集成了豐富的外圍功能模塊，如以太網(wǎng)接121，便于低成本設(shè)計(jì)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。S3C2410A主要功能就是通過(guò)控制以太網(wǎng)接口芯片CS8900A及CAN通信接口芯片MCP2510的工作，實(shí)現(xiàn)CAN通信協(xié)議與以太網(wǎng)通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，使遠(yuǎn)端用戶(hù)借助瀏覽器經(jīng)由Intemet對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控。

　　2.2 CAN通信接口模塊設(shè)計(jì)

　　由于多數(shù)嵌入式處理器都不帶CAN總線控制器，在嵌入式處理器的外部總線上擴(kuò)展CAN總線接口芯片是通用的解決方案。設(shè)計(jì)采用了MCP2510芯片作為CAN總線的控制器，該芯片支持CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)。TJAl050作為CAN總線的收發(fā)器。

　　MCP2510可在3-5.5 V范圍內(nèi)供電，因此能直接與3.3V I/0口的嵌入式處理器連接。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與處理器之間的SPI串行接口，減少了總線的物理連接，提高了系統(tǒng)的可靠性。

　　S3C2410A帶有SPI總線控制器，可直接與MCP2510連接。如圖3所示。

　　圖3 嵌入式節(jié)CAN節(jié)電設(shè)計(jì)方案[!--empirenews.page--]
相關(guān)的資源有：在電路中使用了2410的一個(gè)擴(kuò)展的L/O口作為片選信號(hào)，低電平有效;使用了2410的外部中斷0作為中斷引腳，低電平有效;16 MHz晶體作為輸入時(shí)鐘，MCP2510內(nèi)部有振蕩電路，用晶體可直接起振。

　　中心模塊端，可對(duì)C,8051F310采用模擬SPI口的方式與MCP2510連接。

　　2.3 無(wú)線測(cè)控模塊設(shè)計(jì)

　　典型的無(wú)線結(jié)構(gòu)包括一個(gè)無(wú)線發(fā)射器(包括數(shù)據(jù)源、調(diào)制器、RF源、RF功率放大器、天線、電源)和一個(gè)無(wú)線接收器BJ(包括數(shù)據(jù)接收電路、RF解調(diào)器、譯碼器、RF低噪聲放大器、天線、電源)。發(fā)射器的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線發(fā)射出去，接收器天線接收后進(jìn)行處理，得到經(jīng)過(guò)校驗(yàn)的正確數(shù)據(jù)。

　　系統(tǒng)中選用了CCll00射頻芯片作為無(wú)線收發(fā)器，理由如下：

　　(1) 該器件有著極為優(yōu)秀的傳輸能力，空曠傳輸距離可以達(dá)到500m，加了PA的模塊則可以達(dá)到1200m，完全滿(mǎn)足了一般的工廠測(cè)控距離要求。

　　(2) 2-FSK，GFSK和MSK支持，抗干擾能力極強(qiáng)，適用于工廠環(huán)境惡劣的生產(chǎn)車(chē)間。

　　(3) CCll00是一種低成本、真正單片的UHF收發(fā)器，可以根據(jù)自己的需要配置MCU，使用靈活，且功耗很低，完全可以采用電池供電。

　　(4) 它具有433/868/915 MHz3個(gè)波段載波頻率，也可以容易地設(shè)置在300—348 MHz、400—464 MHz和800—928 MHz的其他頻率上。

　　該系統(tǒng)選用了C8051F310作為CCI 100的微控制器。它具有一個(gè)增強(qiáng)型外設(shè)接口(SPIO)，具有訪問(wèn)一個(gè)全雙工同步串行總線的能力，具有29個(gè)I/O端口、lO位逐次逼近型的ADC和一個(gè)25通道差分輸入多路選擇器，滿(mǎn)足了作為數(shù)據(jù)采集的通常需求。

　　CCll00模塊與CPU是采用SPI口進(jìn)行通信的，只需把CCll00的SPI口接到CPU的硬件SPI口上，另外，再將CCll00的GD00或GD02也接在CPU的任意引腳上。如果想要用中斷處理收發(fā)數(shù)據(jù)或是想做無(wú)線喚醒的話，該引腳必須接在CPU的外部中斷引腳上。如圖4所示。

　　圖4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控C8051F310與CC1100連接示意圖

　　微控制器除了完成基本的芯片初始化工作、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收之外，還需要根據(jù)需要在CCll00的引腳產(chǎn)生中斷，并由所編寫(xiě)的中斷管理程序進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)以及切換，并執(zhí)行相應(yīng)的中斷操作，使得無(wú)線通信可以在發(fā)射和接收以及待機(jī)之間切換。

　　3、軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)主要包括了CAN總線通信程序模塊、無(wú)線通信部分等，其中驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)是在LINUX下多任務(wù)操作系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)的，多任務(wù)系統(tǒng)中的CAN總線通信程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程圖。如圖5所示。

　　圖5 多任務(wù)系統(tǒng)中的CAN總線通信程序結(jié)構(gòu)CAN總線通信程序的設(shè)計(jì)可分為發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)和中斷處理3個(gè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中CAN總線的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收是兩個(gè)不同的線程。在驅(qū)動(dòng)程序中建立數(shù)據(jù)發(fā)送和接收緩沖區(qū)。中斷處理程序只負(fù)責(zé)填充(或者讀取)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，然后喚醒等待接收(或發(fā)送)數(shù)據(jù)的任務(wù)。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收都通過(guò)獨(dú)立的緩沖區(qū)由中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。操作系統(tǒng)的中斷響應(yīng)時(shí)間在軟件上決定了CAN總線數(shù)據(jù)的最快收發(fā)速度。

　　MCP2510的初始化，通過(guò)函數(shù)static int MCP—device—init(void)實(shí)現(xiàn)。可通過(guò)設(shè)置MCP2510中的CNFl、CNF2、CNF3 3個(gè)寄存器，實(shí)現(xiàn)不同時(shí)鐘下CAN總線通信波特率的設(shè)置。

　　對(duì)于無(wú)線通信模塊，軟件設(shè)計(jì)主要包括09051F310的初始化和CCI 100的初始化以及接收數(shù)據(jù)程序、發(fā)送數(shù)據(jù)程序，通過(guò)寄存器的配置實(shí)現(xiàn)其頻率、通道、通信速率等的設(shè)置。函數(shù)void halRfWritePdSettings(RF SETHNGS木pRtSettings)即實(shí)現(xiàn)配置CCll00的寄存器的功能。發(fā)送數(shù)據(jù)通過(guò)函數(shù)void halRf-SendPacket(unsigned char譬txBuffer，unsigned char size)實(shí)現(xiàn)，接收數(shù)據(jù)通過(guò)函數(shù)unsigned char halRfBeceivePacket(unsigned char rxBuffer，unsigned char length)實(shí)現(xiàn)。在采集模塊中為了做到低功耗還采用了隨機(jī)定時(shí)喚醒功能，這樣加上CCll00自帶的CCA功能，可以最大限度地防止信息相撞，從而達(dá)到穩(wěn)定可靠的通信狀態(tài)。

　　4、結(jié)束語(yǔ)

　　基于CAN總線和無(wú)線技術(shù)的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、計(jì)算機(jī)軟件等多種技術(shù)的綜合應(yīng)用，適用于對(duì)遠(yuǎn)端現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，自動(dòng)化管理，保障工業(yè)生產(chǎn)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。而隨著網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)的飛速發(fā)展，短距離無(wú)線通信以其特有的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、安全性好、受地理?xiàng)l件限制較少、安裝施工簡(jiǎn)便靈活等特點(diǎn)，在測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如何根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)自己的測(cè)控系統(tǒng)成為一個(gè)越來(lái)越廣泛的課題。在該設(shè)計(jì)中采用的CCll00芯片有其局限性，只能實(shí)現(xiàn)星形組網(wǎng)，如果需要組建Mesh網(wǎng)絡(luò)，可考慮把方案中的CCll00換成適用于ZIGBEE協(xié)議的CC2420芯片。