基于CAN总线的集散控制系统智能节点的设计

引言

　　现场总线是当今自动化领域技术发展的一个热点，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现，标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始，并对该领域的发展产生了重要的影响。控制器局域网CAN（Controller Aera Network）属于现场总线的范畴，CAN总线的数据通信具有极高的可靠性、实时性和灵活性的特点，是一种有效支持集散控制系统和实时控制的多主串行总线。

1. 基于CAN总线的集散控制系统

　　基于CAN总线的集散控制系统如图1所示，采用现场总线式控制系统FCS（Fieldbus Control System）结构，由上位机、CAN总线控制网络、CAN智能节点组成。上位机主要完成在线系统监控，上位机通过CAN适配卡与CAN总线相连;CAN智能节点完成数据采集及计算、节点设定、节点控制、运行显示等。上位机和智能节点之间通过CAN现场总线交换各种数据和管理控制信息。

2. CAN的性能特点

　　CAN为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通讯方式灵活，且无需站地址等节点信息。

　　CAN网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在134μs内得到传输。

　　CAN采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动的退出发送，而优先级较高的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。

　　CAN只需要通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据，无需专门的“调度”。

　　CAN的直接通信距离最远可达10km（速率5kbps以下）;通信速率最高可达1Mbps（此时通信距离最长为40m）。

　　CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个，报文标识符可达2032种（CAN2.0A），而扩展标准（CAN2.0B）的报文标识符几乎不受限制。

　　CAN采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。

　　CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据出错率极低。

　　CAN通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。

　　CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。

3. CAN智能节点硬件设计

　　目前常用的CAN器件分为两大类，一类是独立的CAN控制器，如Philips的PCA82C250、SJA1000等，另一类是带有CAN功能的微控制器，如PIC的DSPIC6014、TI的TMS320F2812、Motorola的MC9S12DT128等等。本文采用Intel的 87C196KD微处理器和PHILIP的 SJA1000 CAN控制器完成CAN总线智能节点的设计。

图2 CAN智能节点硬件电路

　　CAN智能节点硬件电路如图2所示。电路主要由五部分组成：微控制器87C196KD、独立CAN控制器SJA1000、CAN总线收发器82C250、高速光电耦合器6N137、复位电路。

　　微控制器87C196KD是CAN智能节点的核心部分，87C196KD具有32K字节的ROM和1000字节的RAM，可用高级语言编程。87C196KD主要完成节点数据采集及计算、节点设定、节点控制、运行显示等功能，并与CAN控制器SJA1000之间发送、接收数据。

　　SJA1000芯片是一种应用广泛、性能优异的CAN总线控制器。SJA1000负责完成CAN总线通信协议的物理层和数据链路层的功能。它有Basicmode和Pelimode两种工作模式，与 Basicmode模式相比，Pelimode工作模式支持扩展帧，报文标识符可达29位，提供了更加强大的功能。为减少每帧非数据字符的数量，提高信息交换速度，在实际应用中宜采用Basicmode模式。在Basicmode模式下，SJA1000对于微处理器来说相当于一个存储器映像外围设备，它的可寻址域由控制段和接收、发送缓冲器组成。SJA1000的AD0～AD7连接到87C196KD的P3口（数据总线），采用并口连接方式，数据读写速度快。87C196KD 地址总线的P4.6、P4.7通过译码器与SJA1000的片选信号CS相连，SJA1000的RD、WR、ALE分别与87C196KD的RD、WR、ALE相连, SJA1000的INT经过非门与87C196KD的EXINT相连, 微控制器也可以通过中断的方式访问CAN控制器。

　　82C250是CAN控制器与物理总线之间的接口。82C250的CANL和CANH与CAN总线相连，若82C250处于CAN总线的网络终端，CANL和CANH之间需加一个匹配电阻，用于消除反射信号的干扰。RS用于选择三种不同的工作方式：高速、斜率控制和待机，RS串接一个电阻后再接地，用于控制上升和下降斜率，减小射频干扰。

　　为了进一步提高系统抗干扰能力，在CAN控制器SJA1000和CAN总线收发器82C250之间加接高速光电耦合器6N137，并采用DC-DC变换器隔离电源，这样就很好的实现了总线上各个CAN节点之间的 器隔离。

　　复位电路由看门狗MAX706和手动复位按扭组成。当系统发生故障时，MAX706自动产生复位信号给87C196KD和SJA1000复位，若想重新启动程序，可用手动复位按扭复位。

4. CAN智能节点软件设计

　　CAN智能节点的软件设计主要包括三部分：CAN初始化程序、报文发送程序、报文接收程序。下面给出了Basic CAN模式CAN智能节点软件的程序框图和C语言源程序。

　　a.CAN初始化部分
　　

　　#include <80c196kd.h>

　　/＊ 应包含的微控制器寄存器的定义＊/

　　#include _SFR_H_

　　#include _FUNCS_H_

　　#define BASE_CAN 0Xa000 /＊定义CAN控制器基址＊/

　　typedef struct ｛

　　unsigned int id; /＊报文标识符＊/

　　unsigned char rtr; /＊远程帧位＊/

　　unsigned char dlen; /＊数据长度＊/

　　unsigned char data[8]; /＊数据＊/

　　｝ MSG_STRUCT; /＊将CAN协议的帧用C语言的结构表示＊/

　　void init_can（）

　　｛

　　＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 0） = 0x01; /＊SJA1000进入复位状态＊/

　　＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 4） = 0x00; /＊ 初始化接收代码寄存器ACR ＊/

　　＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 5） = 0xff; /＊ 初始化接收屏蔽寄存器AMR ＊/

　　＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 6） = 0x00; /＊ 初始化总线时序寄存器BTR0 ＊/

　　＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 7） = 0x14; /＊ 初始化总线时序寄存器BTR1 ＊/

　　＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 8） = 0xfa; /＊ 初始化输出控制寄存器OCR ＊/

　　｝

　b.报文发送部分

　　unsigned char can_send（MSG_STRUCT smsg）

　　｛

　　unsigned char v;

　　int i;

　　v=＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 2）;

　　if（ v &0x08） /＊判断是否可以发送数据＊/

　　｛ v=smsg.id>>3; /＊标识符送识别码寄存器＊/

　　＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 10） = v;

　　v=＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 10）;

　　v=smsg.id & 7; /＊识别码0-2位、RTR、DLC＊/

　　v<<=5;

　　v+=smsg.dlen;

　　＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 11） = v;

　　for（i=0;i 

　　｛ ＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 12+i） = smsg.data[i]; ｝

　　＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 1） = 0x01;

　　return（1）;

　　｝

　　else

　　｛ return（0）;｝

　　｝

　　c.报文接收部分
　　

　　unsigned char can_receive（）

　　｛

　　MSG_STRUCT rmsg;

　　int i;

　　unsigned char buf1,buf2;

　　while（（＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 2）） & 0x01）/＊判断是否有可接收信息＊/

　　｛buf1 = ＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 20）; /＊将一帧信息取出＊/

　　buf2 = ＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 21）;

　　rmsg.dlen = buf2 & 0x0f; /＊数据长度＊/

　　for（i=0; i< rmsg.dlen; i++） /＊取出数据＊/

　　｛rmsg.data[i]=＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 22 + i）; ｝

　　＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 1） = 0x04; /＊释放接收缓冲器＊/

　　rmsg.rtr = （buf2 >> 4） & 0x01; /＊远程帧＊/

　　rmsg.id = buf1; /＊取出报文标识符＊/

　　rmsg.id <<= 3;

　　rmsg.id |= （buf2 >> 5） & 0x06;

　　switch （rmsg.id） /＊按标识符转入不同的数据处理程序＊/

　　case ……

　　｛……

　　……｝

　　break;

　　case ……

　　｝

　　｝

5. 结束语

　　本文的创新点在于：将现场总线引入到集散控制系统中，克服了传统的串行通讯集散控制系统的实时性不强，通讯可靠性差的问题。所给出的CAN智能节点已应用于某发电厂的集散控制系统中，经过一年多的运行情况发现该设计方案具有较好的可靠性、实时性和灵活性。CAN智能节点不仅可以应用于集散控制系统，还可以用于其它分布式控制系统。