基于CAN總線和CCll00芯片的嵌入式遠程測控系統(tǒng)的設計

　　引言

　　文中提出了一種基于無線測控的工業(yè)通信分布式網(wǎng)絡模型，它將嵌入式技術、無線通信技術和自動控制技術有機地結合起來，采用兩級組網(wǎng)方式，將有線與無線技術結合起來，并結合嵌入式硬件平臺和無線通信模塊，解決了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制設備的數(shù)據(jù)傳輸問題。該系統(tǒng)實時性強、可靠性高、結構小巧、開發(fā)費用低廉，在現(xiàn)代工業(yè)測控系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)揮了經(jīng)濟效益。

　　1、系統(tǒng)總體設計方案

　　分布式網(wǎng)絡模型實際方案如圖1所示。

　　圖1 分布式網(wǎng)絡模型實際方案

　　該方案中，服務器采用嵌入式硬件平臺，基于Linux操作系統(tǒng)，建立嵌入式Web服務器和分布式現(xiàn)場的測控應用程序。測控應用程序通過驅動CAN總線模塊，以輪詢方式實現(xiàn)嵌入式平臺與終端節(jié)點之間的通信。數(shù)據(jù)采集器使用無線通信與各終端設備連接，通過無線傳輸方式負責對測控應用程序發(fā)出命令進行響應，啟動無線通信過程，完成分布式現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集和控制動作執(zhí)行。

　　系統(tǒng)采用了分級組網(wǎng)的方式，由有線和無線通信兩級網(wǎng)絡組成?？紤]到工業(yè)干擾比較嚴重，以及通信范圍能有較大的冗余，嵌入式服務器與數(shù)據(jù)采集器之間使用有線網(wǎng)絡，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，將無線終端和ARM主控機連接在一起，解決了無線系統(tǒng)因受通信距離、空闖布局、外部干擾等因素的限制，致使無線通信的節(jié)點無法直接與主控機通信的問題。對附近的無線終端，數(shù)據(jù)采集器使用無線信道通信，對主控機，使用CAN連接，這樣就較好地解決了應用環(huán)境對無線通信網(wǎng)絡的不利影響。而且，更為重要的是，可根據(jù)實際需要使用你N個數(shù)據(jù)采集器分別掛在CAN總線上，采用N個頻段傳輸，減少了無線通信中的沖突，增加了通信的可靠性。

　　系統(tǒng)由客戶端瀏覽器、嵌入式服務器平臺、無線通信模塊3部分組成?？蛻舳藶g覽器是運行在桌面計算機中的通用瀏覽器應用程序;嵌入式服務器是以S3C2410A芯片為核心組建的網(wǎng)絡服務平臺;無線通信模塊由數(shù)據(jù)采集器和終端節(jié)點2部分構成，是以CCll00無線通信芯片和8051F310單片機為核心構成的測控執(zhí)行部件。其中嵌入式服務器平臺是系統(tǒng)的核心部件，基于Linux操作系統(tǒng)，負責對現(xiàn)場設備進行測控數(shù)據(jù)的處理、存儲、轉發(fā)及與遠程客戶端瀏覽器的數(shù)據(jù)交互。

　　通過公共網(wǎng)關接口CGI(Common Gateway Interface)實現(xiàn)嵌入式Web服務器和分布式現(xiàn)場的測控應用程序接口。CGI使編寫的程序處理wwW上客戶端送來的表單和數(shù)據(jù)，并對此做出響應，這樣可使編寫的程序和Web服務器間的接口標準化。

　　嵌入式服務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);同時利用Linux操作系統(tǒng)自身所帶的TCP/IP協(xié)議棧，只要在應用層上利用操作系統(tǒng)提供的網(wǎng)絡API編寫服務器端程序即可，從而節(jié)省了開發(fā)時間。

　　2、系統(tǒng)硬件設計

　　對于一個嵌入式系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)設計相當重要，一方面要考慮所選擇的器件是否適合應用要求，硬件資源是否足夠用來編程調試并保證系統(tǒng)性能優(yōu)良;另一方面硬件資源要在滿足系統(tǒng)需求前提下盡可能降低成本?？紤]以上因素，服務器的硬件采用模塊化設計，分為嵌入式服務器模塊、CAN通信接口模塊、無線測控模塊3部分。

　　2.1 嵌入式服務器模塊設計

　　該系統(tǒng)的嵌入式服務器平臺的設計如圖2所示。

　　圖2 嵌入式服務器設計方案

　　基于S3C2410A擴展了CAN接口模塊、sD卡等，CPU采用$3C2410A微處理器作為整個系統(tǒng)的控制核心。S3C2410A是基于ARM920內核開發(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，便于低成本設計嵌入式應用系統(tǒng)。S3C2410A主要功能就是通過控制以太網(wǎng)接口芯片CS8900A及CAN通信接口芯片MCP2510的工作，實現(xiàn)CAN通信協(xié)議與以太網(wǎng)通信協(xié)議的轉換，使遠端用戶借助瀏覽器經(jīng)由Intemet對現(xiàn)場設備實施遠程監(jiān)控。

　　2.2 CAN通信接口模塊設計

　　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展CAN總線接口芯片是通用的解決方案。設計采用了MCP2510芯片作為CAN總線的控制器，該芯片支持CAN2.0B標準。TJAl050作為CAN總線的收發(fā)器。

　　MCP2510可在3-5.5 V范圍內供電，因此能直接與3.3V I/0口的嵌入式處理器連接。系統(tǒng)結構簡單，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)電設計方案[!--empirenews.page--]

　　相關的資源有：在電路中使用了2410的一個擴展的L/O口作為片選信號，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晶體作為輸入時鐘，MCP2510內部有振蕩電路，用晶體可直接起振。

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

　　2.3 無線測控模塊設計

　　典型的無線結構包括一個無線發(fā)射器(包括數(shù)據(jù)源、調制器、RF源、RF功率放大器、天線、電源)和一個無線接收器BJ(包括數(shù)據(jù)接收電路、RF解調器、譯碼器、RF低噪聲放大器、天線、電源)。發(fā)射器的數(shù)據(jù)通過無線發(fā)射出去，接收器天線接收后進行處理，得到經(jīng)過校驗的正確數(shù)據(jù)。

　　系統(tǒng)中選用了CCll00射頻芯片作為無線收發(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到500m，加了PA的模塊則可以達到1200m，完全滿足了一般的工廠測控距離要求。

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

　　(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個波段載波頻率，也可以容易地設置在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。它具有一個增強型外設接口(SPIO)，具有訪問一個全雙工同步串行總線的能力，具有29個I/O端口、lO位逐次逼近型的ADC和一個25通道差分輸入多路選擇器，滿足了作為數(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)場測控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，并由所編寫的中斷管理程序進行狀態(tài)檢測以及切換，并執(zhí)行相應的中斷操作，使得無線通信可以在發(fā)射和接收以及待機之間切換。

　　3、軟件設計

　　軟件設計主要包括了CAN總線通信程序模塊、無線通信部分等，其中驅動程序的設計是在LINUX下多任務操作系統(tǒng)下實現(xiàn)的，多任務系統(tǒng)中的CAN總線通信程序結構設計流程圖。如圖5所示。

　　圖5 多任務系統(tǒng)中的CAN總線通信程序結構[!--empirenews.page--]

　　CAN總線通信程序的設計可分為發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)和中斷處理3個模塊來實現(xiàn)。系統(tǒng)中CAN總線的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收是兩個不同的線程。在驅動程序中建立數(shù)據(jù)發(fā)送和接收緩沖區(qū)。中斷處理程序只負責填充(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。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收都通過獨立的緩沖區(qū)由中斷來實現(xiàn)。操作系統(tǒng)的中斷響應時間在軟件上決定了CAN總線數(shù)據(jù)的最快收發(fā)速度。

　　MCP2510的初始化，通過函數(shù)static int MCP—device—init(void)實現(xiàn)?？赏ㄟ^設置MCP2510中的CNFl、CNF2、CNF3 3個寄存器，實現(xiàn)不同時鐘下CAN總線通信波特率的設置。

　　對于無線通信模塊，軟件設計主要包括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，通過寄存器的配置實現(xiàn)其頻率、通道、通信速率等的設置。函數(shù)void halRfWritePdSettings(RF SETHNGS木pRtSettings)即實現(xiàn)配置CCll00的寄存器的功能。發(fā)送數(shù)據(jù)通過函數(shù)void halRf-SendPacket(unsigned char譬txBuffer，unsigned char size)實現(xiàn)，接收數(shù)據(jù)通過函數(shù)unsigned char halRfBeceivePacket(unsigned char rxBuffer，unsigned char length)實現(xiàn)。在采集模塊中為了做到低功耗還采用了隨機定時喚醒功能，這樣加上CCll00自帶的CCA功能，可以最大限度地防止信息相撞，從而達到穩(wěn)定可靠的通信狀態(tài)。

　　4、結束語

　　基于CAN總線和無線技術的遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡傳輸、計算機軟件等多種技術的綜合應用，適用于對遠端現(xiàn)場環(huán)境進行實時監(jiān)控，自動化管理，保障工業(yè)生產(chǎn)的安全穩(wěn)定運行。而隨著網(wǎng)絡及通信技術的飛速發(fā)展，短距離無線通信以其特有的抗干擾能力強、可靠性高、安全性好、受地理條件限制較少、安裝施工簡便靈活等特點，在測控系統(tǒng)中的應用越來越廣泛，如何根據(jù)實際需要選擇合適的網(wǎng)絡拓撲結構，開發(fā)自己的測控系統(tǒng)成為一個越來越廣泛的課題。在該設計中采用的CCll00芯片有其局限性，只能實現(xiàn)星形組網(wǎng)，如果需要組建Mesh網(wǎng)絡，可考慮把方案中的CCll00換成適用于ZIGBEE協(xié)議的CC2420芯片。