章萬靜　王勝剛　潘永安　羅時書

[摘要]介紹一種基于CAN Bus的網(wǎng)絡(luò)傳感器測控系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，并詳細(xì)的闡述該系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)軟件的設(shè)計。實際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有可靠性高，實時性強(qiáng)，擴(kuò)展容易等應(yīng)用優(yōu)勢。

[關(guān)鍵詞]CAN Bus 網(wǎng)絡(luò)傳感器 測控系統(tǒng)

中圖分類號：TP7文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0520010－02

一、引言

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的高速發(fā)展，自動化控制和儀器儀表等領(lǐng)域發(fā)生了深刻的變革，數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化成為該領(lǐng)域發(fā)展的新方向。這就導(dǎo)致系統(tǒng)的組成日益龐大而復(fù)雜，所需要的測控點和測控參量越來越多，所需要的傳感器數(shù)目也就成倍的增加[1]。由于單個傳感器僅能感知其觀測環(huán)境有限的局部信息，而由多個同類或異類傳感器構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)傳感器系統(tǒng)能從不同的角度和視野獲取其觀測環(huán)境更多的全局信息，這使得網(wǎng)絡(luò)傳感器系統(tǒng)在軍事和民用領(lǐng)域正受到越來越廣泛的重視[2]。

控制器局域網(wǎng)CAN（Controller Area Network）作為一種多線路網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，以其時分多主，非破壞性總線仲裁和自動檢錯重發(fā)等靈活、可靠的通信技術(shù)，及低廉的價格，被廣泛的應(yīng)用于自動化生產(chǎn)線、汽車、傳感器、醫(yī)療設(shè)備、智能化大廈、電梯控制、環(huán)境控制等分布式系統(tǒng)[3]。根據(jù)Atmel公司新型微控制器T89C5CC01的特點，利用其內(nèi)部集成CAN控制器來組建網(wǎng)絡(luò)傳感器的測控系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計容易、抗干擾性強(qiáng)等應(yīng)用優(yōu)勢。

二、系統(tǒng)的總體方案設(shè)計

（一）系統(tǒng)的組成

從圖1中可以看出，基于CAN Bus的網(wǎng)絡(luò)傳感器測控系統(tǒng)由三部分組成：上位機(jī)、CAN總線和下位機(jī)。

上位機(jī)：該系統(tǒng)以PC機(jī)作為上位機(jī)，因PC機(jī)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和友好的人機(jī)界面，將其作為上位機(jī)引入到系統(tǒng)中去，可以大大提高系統(tǒng)的整體性能。PC機(jī)向下通過CAN總線接口適配卡和CAN總線與下位機(jī)相連，實現(xiàn)CAN 2.0B協(xié)議（兼容CAN 2.0A協(xié)議）的連接通信，負(fù)責(zé)對整個CAN總線系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視管理，具有系統(tǒng)參數(shù)（如波特率、標(biāo)識符碼、標(biāo)識符屏蔽碼等）設(shè)置、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收、控制等功能。

CAN總線：CAN總線能夠使用多種物理介質(zhì)，例如雙絞線、光纖或同軸電纜等。該系統(tǒng)的CAN總線通過雙絞線與其它節(jié)點相連，網(wǎng)絡(luò)終端兩端各需加接一個120Ω的電阻作為線路的匹配。這兩個電阻對于總線阻抗的匹配起著相當(dāng)重要的作用（防止波形反射），去掉它們會使數(shù)據(jù)通信的抗干擾性和可靠性大大降低，甚至無法通信。由于驅(qū)動能力的限制，CAN總線上最多可掛110個節(jié)點。

下位機(jī)：該系統(tǒng)采用片上集成CAN控制器的微控制器作為下位機(jī)的核心部件，其不僅擔(dān)負(fù)起節(jié)點主控制器的作用，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)傳感器的管理及數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換和處理，同時還可以通過CAN總線接口適配卡和CAN總線，負(fù)責(zé)與系統(tǒng)中的上位機(jī)或其他下位機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與交換。

（二）系統(tǒng)的工作過程

根據(jù)基于CAN Bus的網(wǎng)絡(luò)傳感器測控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可知，為在PC機(jī)與各下位機(jī)節(jié)點之間構(gòu)筑基于CAN總線的通信信道，在PC機(jī)內(nèi)擴(kuò)展了一塊CAN總線接口適配卡，一方面使PC機(jī)的命令、控制信息以及數(shù)據(jù)可以順利地傳遞到各下位機(jī)節(jié)點；另一方面使各下位機(jī)節(jié)點的狀態(tài)、處理請求等信息可以順利地返回PC機(jī)。其具體的通信過程如下：PC上位機(jī)將各種控制命令轉(zhuǎn)換成CAN總線接口適配卡可以識別的數(shù)據(jù)，當(dāng)CAN總線接口適配卡接到數(shù)據(jù)后，按照CAN總線的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送給各下位機(jī)節(jié)點控制器，各下位機(jī)節(jié)點控制器依據(jù)標(biāo)識符判斷是否為自己應(yīng)處理的數(shù)據(jù)。如果符合條件，則按照相應(yīng)的算法解釋所收到數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的控制信號，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的功能；并且各下位機(jī)節(jié)點之間也能按照CAN總線協(xié)議相互通信，實現(xiàn)控制的協(xié)調(diào)。與此同時，各個下位機(jī)節(jié)點也可不定期的將各自的狀態(tài)參數(shù)組成數(shù)據(jù)幀，向PC上位機(jī)發(fā)送，使PC上位機(jī)能及時了解各下位機(jī)節(jié)點的工作狀態(tài)。

（三）CAN下位機(jī)硬件的設(shè)計

基于CAN Bus的網(wǎng)絡(luò)傳感器測控系統(tǒng)的下位機(jī)節(jié)點硬件電路原理如圖2所示，該節(jié)點由集成了CAN控制器的微控制器T89C51CC01、與T89C51CC01

配套使用的CAN高速收發(fā)器ATA6660、16選1模擬開關(guān)CD4067、高精度的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1244、高速光耦6N137、電源隔離模塊B0505S-1W、提供+5V高精度的穩(wěn)定參考電壓源MAX6035以及多個傳感器（如角度傳感器、位移傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器等）等組成。

在該設(shè)計中，微控制器芯片T89C51CC01的晶振所選頻率為16MHz，工作在12時鐘模式下。其ALE腳輸出信號恒定為1/6 振蕩頻率，用來作為ADS1244的時鐘輸入，P2端口的部分引腳控制CD4067的16通道的選擇；并將高速收發(fā)器ATA6660將RS端接地啟用標(biāo)準(zhǔn)模式能進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。為了進(jìn)一步的提高CAN總線的抗干擾能力，保證各下位機(jī)節(jié)點之間在電氣上是完全隔離和獨立的，T89C51CC01的P4.0和P4.1引腳分別通過高速光耦6N137與ATA6660的TXD和RXD引腳相連。另外，光耦部分電路所采用的兩個電源必須完全隔離采用一個小功率電源隔離模塊B0505S-1W，提高了下位機(jī)節(jié)點的穩(wěn)定性和安全性。

三、CAN下位機(jī)軟件的設(shè)計

該系統(tǒng)下位機(jī)節(jié)點的軟件采用模塊化程序設(shè)計，其主要子程序有：CAN初始化子程序、模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序、數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送子程序等。主程序中采用T89C51CC01內(nèi)置看門狗（watch-dog）復(fù)位技術(shù)，以保證系統(tǒng)的正常運行。下位機(jī)節(jié)點主程序框圖如圖3所示。

下位機(jī)節(jié)點對CAN Bus上的數(shù)據(jù)有兩種接收方式：查詢方式和中斷方式。但是采用查詢方式時，系統(tǒng)資源利用率不高，不能很好的滿足實時性，所以該系統(tǒng)采用中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，實現(xiàn)高速、實時的數(shù)據(jù)通信。下位機(jī)節(jié)點中斷子程序框圖如圖4所示。

四、結(jié)束語

通過該系統(tǒng)在公司的角度傳感器成品檢測中的實際使用，其良好的表現(xiàn)表明了該系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：

1．結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾性強(qiáng)、可靠性高；

2．?dāng)?shù)據(jù)傳輸速度快、傳輸距離長、實時性好；

3．支持熱拔插，可以利用雙絞線組網(wǎng)，使得節(jié)點擴(kuò)充容易，維護(hù)方便[4]；

4．可根據(jù)實際使用的距離和需要設(shè)置合適的波特率，最高可達(dá)1Mbps。

總之，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、功能強(qiáng)大、性價比高、抗干擾性強(qiáng)、通用性好等應(yīng)用優(yōu)勢，在實時要求高的分布式系統(tǒng)中具有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝亮、郭陽，基于HART的智能現(xiàn)場實時控制通信系統(tǒng)[J].微計算機(jī)信息，2008，4（2）：164-166.

[2]田康生、朱光喜、徐毓，基于多代理技術(shù)的傳感器管理系統(tǒng)[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2004，26（2）：9-13.

[3]鄔寬明，CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：北京航天航空大學(xué)出版，1996.

[4]楊一敏、張培仁、王津津、丁劍文，基于C8051F040的CAN總線實時大型監(jiān)控系統(tǒng)[J].自動化與儀表，2008，23（7）：21-24.

作者簡介：

章萬靜（1976-），男，漢族，湖北隨州人，碩士，講師，研究方向：總線技術(shù)、單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用。