基于CAN总线的嵌入式设备状态监测平台设计

引言

实验室中关键设备的信息需要及时采集、反馈到主控室中，又因为设备类型多，促使设计者开发主节点、从节点的结构，总线通信的监测平台。同时，平台的用户界面需具有二次开发能力。因此，本文设计了一种设备状态监测平台。

本文设计的系统硬件基于STM32F103芯片，是基于ARM的Cortex—M3架构，其外设单元资源丰富，能够达到系统需求的性能指标。配备了一块4.3寸TFT显示、触摸屏，可直观地显示与操作，体现了与用户的互动。

1 硬件架构

以STM32F103为主控芯片，主要包含了5个外围电路模块：实时时钟、模数处理、数据存储、数据传输和界面显示。模数处理是A/D模块加预处理电路，数据存储采用一片2 MB SPI Flash，数据传输采用CAN接口和RS232接口，显示屏是4.3寸。如图1所示，为设备的硬件架构图。

系统采用的STM32F103是ST公司推出的基于Cortex—M3内核的32位ARM芯片系列。本系统选用的STM32F103ZET6属于该系列的高容量芯片，片内Flash容量为512 KB，片内SRAM容量为64 KB，主频为72MHz。具备完整的FSMC总线、26位地址线和16位数据宽度。系统的显示屏为翰彩4.3寸TFT液晶屏，分辨率为640×480，贴一块电阻式触摸屏。显示屏驱动模块是SSD1963，采用了16位(5位红色、6位绿色、5位蓝色)64K接口模式，由FSMC数据接口连接控制。触摸屏芯片为ADS7843，它输入触摸屏四路电压，用SPI通信输出触摸点位置信息。图2是LCD接口电路。

CAN总线协议的高可靠性使其在工业上得到广泛应用。STM32F103的CAN总线单元支持协议2.0A和2.0B;选用的CAN收发器是TJA1050，在CAN协议控制器和物理总线之间起到接口作用，设计120 Ω的终端匹配电阻以适应不同的CAN总线网络。CAN模块的接口电路如图3所示。

2 软件设计

2.1 整体架构

嵌入式系统设计的第一步在于清晰地划分任务，设定优先级，根据任务的执行情况调度系统资源。如图4所示，μC/OS是系统的总调度，之上有6个主要的任务，它们分别对应硬件架构中的模块，运行整个程序。

每个任务分配不同的优先级和启动方式，有周期性启动、信号量驱动两种方式。显示功能由μCGUI驱动，FAT32文件由FatFs管理。任务划分及资源如表1所列。

划分任务之后，先实现板级支持包，再对通信协议进行设计，然后绘制整个μCGUI的界面。

2.2 板级支持包

板级支持包是指在单板上实现全部基础功能，例如时钟管理、掉电备份、串口、CAN总线通信、A/D采样以及显示任务的fsmc接口、驱动优盘的SPI接口等。利用ST公司提供的标准化库函数，调用库函数进行初始化，配置模块参数，在使用时根据需要调用函数或在中断进行，完成后封装成一个Lib库文件使用。

在系统中断里设置：①CAN中断，用于快速反映CAN口信息;②USART接收中断，用于接收串口信息;③RTC中断，用于实时时钟中断;④USB有两个中断，用于USB端口的收发设置。板级支持包的函数如图5所示。

全系统的参数如下：A/D总线模块采样率为1 kHz，最高为5 kHz，通道数8个，可以拓展到16通道。串口速率为115 200，数据位为8位，无校验。CAN用CAN-1口，设置为500 kbps、250 kbps、100kbps、50 kbps的4档速率，扩展ID形式。

初始化单板需进行时钟校正，存储正确的时间。单板掉电之后用电池工作，存入备份寄存器，上电再取时间参数(即秒的数量)，换算成对应的日期和时间。显示模块采用FSMC并行接口控制，实现在屏幕上画出单个点、单条直线等基本绘图功能，就能提供接口给μC总线GUI使用。

2.3 CAN总线通信协议

本设计采用CAN总线协议，用状态机进行状态转换，在具体的指令驱动下实现从握手到传输数据的过程。图6是CAN总线通信的状态机。

CAN总线通信指令是英文单词缩写用ASCII码表示的结果。在本设计中，有一个主节点和3个从节点。主节点和从节点对应的指令应答方式如图7所示。初始化时，主节点在发出“TEST”指令后，从节点回复“ALOK”，表示从节点收到指令，工作正常。1号和2号从节点负责测量温度、湿度和压力。主节点发送“NEED”指令，从节点1号和2号回复温度、湿度数值给主节点，格式是对应的“指令+数据”。主节点根据ID与指令，判断数据正确性，及时显示在屏幕上。

采样时，主节点在指令的驱动下，切换不同状态。主节点发送预备指令，确认从节点准备好之后，再发出采样开始的“SMPL”命令，从节点收到指令后，启动采样，完成后回复“GOGO”指令。从节点在采样结束后再回复，是为了减少采样启动的延时。主节点进入接收数据的状态，发送传输数据指令“DATA”，从节点先用“LENS”指令告诉主节点，本次采样长度是多少，便于主节点在接收数据的时候统计，是否接收到了数量正确的数据。从节点开始发送数据，最后发送“ENDD”指令，告诉主节点数据传送结束。主节点的数据标识清空，回到初始状态。这样完成了一轮数据采样、发送过程。

2.4 μC/OS嵌入式操作系统

首先，已经将板级支持包编写完毕，而嵌入式系统首先是单板运行，其次是将底层软件用任务的方式重新编写。在单板运行嵌入式系统就是移植的过程，主要有：

①定义常量的值，声明数据类型、堆栈参数;

②编写堆栈初始化参数;

③编写任务切换的函数，还有在中断函数中提供时钟中断，即给操作系统时钟使用。

移植完成之后，进行任务的编写。分配给7个任务不同的优先级、堆栈资源和运行方式。其中，App_TaskStart是全部任务的起始点，优先级最高，由这个任务来建立其他任务，并且启动统计任务。App_TaskCreate建立了其他所有的任务。AppTaskUSerIF任务实现用户界面，Task_CAN任务实现CAN报文接收，Task_FatFileWR任务实现FatFs文件读写，AppTaskKbd任务实现触摸驱动，Clock_Update任务实现秒更新。

任务的周期性启动在建立任务时确定，例如AppTaskUserIF任务始终在运行，采用WM_Exec函数做界面更新。AppTaskKbd是10 ms周期读取触摸坐标，实现绘制鼠标箭头和触控功能。

信号量是在所有任务建立之前建立。CAN_MBOX是采用OSMboxCreate建立的邮箱信号量，能够传送CAN接收中断的消息以启动CAN任务，FLAGRECORD是OSFlagCreate建立的多值信号量，能置位4位，启动文件读写任务。ClocK_SEM是OSSemCreate建立的二值信号量，专门用于秒更新中断的信号量。

CAN_MBOX=OSMboxCreate((void*)0);

//建立CAN接收任务的消息邮箱

FLAGRECORD=OSFlagCreate(0，err);

//建立记录文件的开关量

Clock_SEM=OSSemCreate(1);

//建立秒更新中断的信号量

在运行μC/OS之后，还可以在os_cfg.h函数中关闭OS不需要的功能模块，以达到裁减系统、节约内存空间的目的。

2.5 μC/GUI显示界面

需要先移植，再设计界面。移植过程可以参考其他文献。设计界面分成两步：第一步是写软件框架，第二步是设计具体界面。每一个对话框都是用创建函数建立，创建函数会调用事先定义的资源，包括控件的形式、位置、大小、初始化值等，对话框还指定了相应的回调函数，通过回调函数操作对话框的行为，完成初始化、绘制、按钮响应等。代码如下：

值得注意的是，建立对话框有两种函数，即阻塞型和非阻塞型。采用非阻塞型的对话框才能在多对话框的操作中实现同步更新。不然，当前对话框使能就会阻塞显示其他对话框。

GUI_CreateDialogBox(); //非阻塞型

GUI_ExecDialogBox(); //阻塞型

界面设计的细化绘制工作集中在：①初始化时，控件资源决定了界面的布置和美观;②在回调函数中，按钮响应函数决定了对话框完成任务的流程。图8所示是主节点运行界面的主对话框。

2.6 适配从节点

按照主节点的界面和状态机，修改程序以适配从节点监控设备运行状态的任务需求。目前设计了3种从节点：一是采集温度和湿度;二是采集压力;三是标准数据采集及传输。从节点的程序结构和主节点是一致的，需要修改的地方有：

①CAN总线通信协议采用的是从节点的应答指令和状态机;

②显示界面的资源与布置需修改。对不需要的任务做屏蔽，节省资源和空间。

图9所示为第三个从节点的界面。

3 系统应用

通过总线方式将一个主节点和三个从节点连接。主节点选择500 kbps的波特率，收到从节点发来的状态确认良好的消息，主节点的当前状态显示块从黄色变成绿色。从节点1和节点2选择数据发送间隔，按下传输按钮，将温度、湿度及压力数值传送给主节点显示。

采样测试中，在需要采集的时刻单击主节点按钮，从节点开始采样，进度条运行。点击“Transfer”按钮后，从节点和主节点的传输进度条走动一致，完成传输后又恢复

了初值。说明正常完成数据采集、传输的过程，发送的数据被完整接收。

接收完数据，主节点通过USB线连接电脑，就显示为一个U盘，其中txt文件是接收的采样数据，文件名为记录的实时日期和时间。

结语

本文设计的基于总线的嵌入式设备状态监控平台具有主、从节点的分层次结构。总线结构可靠性高，使用数量多。从节点多种模式能够适应丰富的设备健康状态监控，且每个节点的界面具有交互性。嵌入式系统提供了很好的平台，便于拓展任务，本监控平台具有很强的实用价值。