基于CAN总线的分布式网架健康状态监测系统的设计
2008-08-12
作者：黎洪生 杜 飞 曹 文
摘 要： 针对某网架安全监测的需要设计了分布式健康状态监测系统，介绍了在分布式系统中利用控制器局域网(CAN) 组建分布式通信网络模块的方案。详细阐述了基于CAN总线控制器SJA1000的采集系统设计方案及具体的硬件电路设计,并解决了在软件设计中容易碰到的问题。
关键词： CAN总线 高速采集 A/D" title="A/D">A/D转换 数据传输
在某大网架结构的建筑中，由于网架结构的特殊性及其所处地理位置在沿海台风多发地带，因此需要设计高速数据采集系统对网架结构的健康状况进行实时监测，并对数据进行实时分析和评估。由于需要对网架上受力情况进行多点监测，考虑到硬件集中控制扩展能力差且在现场施工有较大的布线困难，因此本系统采用目前广泛应用的分布式系统设计方案，将各个控制单元" title="控制单元">控制单元分布在现场各采集点上。为了实现分布式系统的监测与控制功能，需要建立良好的通讯方式，以完成系统主机与各智能单元之间的信息交换与通信。根据本数据采集系统的特点，其通信系统应具有良好的可靠性、适应性、可扩展性和简单的连接方式，并能满足长距离传输的需要。由于此数据采集系统节点数多（100路）、对信号传输速度要求高且误码率低，利用485总线搭建数据采集系统的传统方式，其最大控制结点只能有32个，在超过1km的布线结构中传输速度只有100kbps，且“数据碰撞”和“死锁”等问题不易解决，因此采用485总线显然达不到设计要求。
相对于传统的485总线来讲，控制器局域网CAN（Controller Area Network）作为现场总线的一种，以其分时多主、非破坏性总线仲裁和自动检错重发等灵活、可靠的通信技术解决了485总线现场调试困难、开发周期长等问题[1]。尤其在较为艰苦的安装环境中，其高效的现场调试性能显得尤为实用。作为一种分散式、数字化、双向多点、具有高速率高可靠性特点的通信系统，CAN可以构建灵活的多主通讯机制，也可以建立主从式结构，而且这两种方式下的硬件物理联接完全相同。其自动进行数据编码、CRC冗余校验、出错自动重发的功能保证了数据的准确率，某一节点严重出错时能自动脱离总线保证了系统的稳定性，且其具有极强的带负载能力，可驱动多达110个节点，可满足本系统高速、精确、多负载的要求。
1 采集卡硬件电路的设计
1.1 CAN总线分布式系统结构设计
系统结构如图1所示。本系统由上位监控PC机、CAN总线适配卡和控制单元三部分组成。上位监控PC机采用IBM-PC兼容机，主要负责对系统数据的接收与管理、控制命令的发送以及各控制单元动态参数和设备状态的实时显示；CAN总线适配卡可以使PC机方便地连接到CAN总线上；控制单元以单片机为核心，主要负责对现场的环境参数和设备状态进行监测，对采集来的数据进行打包处理并将处理过的数字信号通过CAN通信控制器SJA1000送入CAN总线。
1.2 控制单元模块设计" title="模块设计">模块设计及关键问题的解决
控制单元的主要功能是将现场采集的模拟信号转换成数字信号，通过CPU处理后再由CAN总线控制器打包送上CAN总线以便上位机" title="上位机">上位机接收处理；接收上位机控制信号，实现现场控制的具体操作。具体需要解决的问题为：①CAN模块设计；②A/D模块设计。
1.2.1 CAN模块设计
控制单元以8 位单片机AT89C51 为核心,选用器件SJA1000 作为CAN 控制器,并选用芯片82C250和6N137作为CAN控制器接口和光耦隔离。硬件电路如图2所示。
系统采用的CAN总线通信控制器SJA1000 是PHILIPS 公司生产的一种独立式CAN 器件,其原理框图如图3所示。它与CAN2.0B相兼容[1]，同时支持11位(BasicCAN 模式)和29位(PeliCAN 模式)识别码。
图2中AT89C51单片机的ALE、WR、RD端分别控制SJA1000 的ALE/AS、WR、RD端,地址和数据线AD0～AD7 由P0口分时复用实现。SJA1000 的中断请求信号INT在中断允许且有中断发生时, 由高电平跳变到低电平,所以INT和AT89C51的INT0直接相连。片选信号CS由GAL译码电路控制,当CS接到低电平时,SJA1000被选中,CPU可对SJA1000进行读/写操作。为了增强控制节点的抗干扰能力,防止线路间串扰,SJA1000通过光耦6N137与82C250 相连,从而使总线上各个CAN 节点之间实现隔离,以保护CAN控制器正常工作。82C250 是CAN 总线收发器,是CAN 控制器SJA1000正常工作与CAN总线的接口器件,对CAN 总线以差分方式发送。其引脚RS 用于选择82C250的工作模式（高速、斜率控制或等待）。RS脚接地,82C250工作于高速方式，RS 脚串接一个电阻R后再接地，若82C250处于CAN总线的网络终端,总线接口部分必须加一个120Ω的匹配电阻,以保护82C250免受过流的冲击。
1.2.2 A/D模块设计
A/D芯片选用12位高速采集芯片AD574。在本设计中，A/D模块的功能是将外部模拟信号通过AD574转换成数字信号后并行输入到AT89C51，然后AT89C51将其打包，并行输出至CAN总线通信控制器SJA1000，经总线收发器至CAN总线。其监控电路采用DS1232，它具有电源监控、手动复位和看门狗功能，还能同时输出高低电平的两路复位信号，分别输出至AT89C51和SJA1000的复位端，以满足本次设计的要求。
2 软件设计
本健康监测系统要求软件部分具有现场数字信号显示、检测并驱动现场信号设备等功能。在本设计中主要完成两部分任务：第一是PC机部分的上位机显示，主要通过集成开发环境软件设计出上位机监视显示界面，其重点在于PC机与现场节点间的通信；第二是现场节点控制设计，即设备驱动功能的实现，目的是能接收上位机的控制信号，使现场节点按既定的工作方式工作。
根据系统的工作要求，工作重点包括CAN总线通信程序、看门狗的初始化、A/D采样控制程序、执行机构控制程序和控制算法等，主要流程如图4所示。限于篇幅，这里着重介绍SJA1000初始化程序设计" title="程序设计">程序设计、发送程序设计、接收程序设计以及A/D转换程序的设计。
2.1 SJA1000初始化设计
初始化流程图如图5所示。AT89C51 上电或复位后, 调用复位程序给SJA1000 的复位端（RST）提供复位信号,使SJA1000 进入复位模式。SJA1000 的初始化只有在复位模式下才可以进行。初始化程序主要完成以下寄存器的设计：(1)通过对SJA1000的时钟分频寄存器定义，判断是使用BassicCAN 模式还是使用PeliCAN 模式;是否使能CLOCKOUT及输出时钟频率; 是否使用旁路CAN 输入比较器; TX1 输出是否采用专门的接收中断。(2)通过写验收码寄存器和验收屏蔽寄存器定义接收报文的验收码，以及对报文和验收码进行比较的相关位定义验收屏蔽码。(3)通过写总线定时寄存器定义总线的位速率、位周期内的采样点和一个位周期内的采样数量。(4)通过写输出寄存器定义CAN 总线输出管脚TX0、TX1 的输出模式和输出配置。（5）清除SJA1000 的复位请求标志，进入正常工作模式, 这样SJA1000方可进行报文的发送和接收。
2.2 发送和接收程序设计
单片机将要发送的报文送到SJA1000的发送缓冲区，然后将SJA1000命令寄存器的发送请求标志位（TR）置位，发送过程由SJA1000独立完成。在新报文写入发送缓冲区之前，必须检查状态寄存器的发送缓冲器的状态标志位（TBS）,若为“1”，则发送缓冲器被释放，可将新的报文写入发送缓冲器；否则，发送缓冲器被锁定，新的报文不能被写入，发送程序可以采用中断方式和查询方式。在本次设计中，采用的是查询方式。
报文的接收也是由SJA1000独立完成的。收到的报文通过接收滤波器存放在FIFO中，第一条报文进入接收缓冲器，由状态寄存器的接收缓冲器状态标志位（RBS）和接收中断标志位(RI)标出。单片机从接收缓冲器取走一条报文后，要通过置位SJA1000的命令寄存器来释放接收缓冲器。在本次设计中，接收程序的设计采用的是中断方式。
2.3 A/D转换设计
在本次设计中采用的是12位逐次逼近型A/D转换器AD574。以查询方式设计程序，通过连续查询A/D转换结束标志位判断转换是否结束。当转换结束时，将数据送入CPU中进行处理，并将处理后的数据保存至6264芯片。
基于CAN总线设计的高速分布式数据采集系统具有一定的使用价值，而且价格低廉、可靠性高。同时系统还具有可扩展性，在需要多通道采集的情况下只需添加少量的采样保持芯片即可。通过对该总线系统的通信能力进行测试，并将上述系统置于强干扰环境中进行连续实验，发现使用的通信速率完全可以保证数据的实时可靠传输，其通信效果完全满足要求，同时上位机和底层节点也能够保证相互间的协调工作。
参考文献
1 邬宽明. CAN总线原理和应用系统设计. 北京:北京航空航天大学出版社， 1996
2 黎洪生. 基于因特网远程故障诊断系统架构.华中科技大学学报（自然科学版），2000