徐 超 ，胡 安 ，楊正新 ，曾 锃 ，劉文國 ，徐助要

（1.湖南大學(xué) 計算機與通信學(xué)院，湖南 長沙 410082；2.長沙隆泰微波熱工有限公司，湖南 長沙 410013）

微波作為一種新能源，因其環(huán)保和高效得到蓬勃發(fā)展，其中微波加熱技術(shù)被廣泛采用。一般的微波加熱設(shè)備控制系統(tǒng)采用PLC+觸摸屏[1]，如果是集中控制方案，在小型工業(yè)微波控制系統(tǒng)中使用良好，但是在大陣列磁控管控制系統(tǒng)中就會出現(xiàn)線束過多、安裝及調(diào)試或檢修困難的情況；如果是分布式控制方案，則PLC的成本就會大大提高。而CAN總線成本低、效率高、抗干擾能力強、便于擴展等優(yōu)點可以彌補PLC+觸摸屏的控制方式下大陣列磁控管控制系統(tǒng)的不足。

CAN總線是國際上廣泛應(yīng)用的現(xiàn)場總線之一，其模型結(jié)構(gòu)[2]相對于國際標準化組織開放系統(tǒng)互連模型(OSI)只有三層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。為了使其應(yīng)用更加廣泛靈活，CAN的國際標準ISO 11898中只規(guī)定了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標準，沒有定義應(yīng)用層，用戶需要根據(jù)需求制定具體的應(yīng)用層協(xié)議。目前在多種已成國際標準的應(yīng)用層協(xié)議中CANOpen[3]和 DeviceNet[4]使用最為廣泛。CANOpen的協(xié)議原型是Bosch公司在1993年提出的，它一般用于機械的嵌入式網(wǎng)絡(luò)中；DeviceNet由Allen-Bradley公司開發(fā)，目前在美國和亞洲的工業(yè)自動化市場上處于領(lǐng)導(dǎo)地位；國內(nèi)工控領(lǐng)域使用較為廣泛的是周立功公司推出的iCAN[5]。這三種協(xié)議標準應(yīng)用廣泛，且便于和其他設(shè)備互聯(lián)，但是對于一些相對簡單和獨立的控制系統(tǒng)，它們并不適用且過于復(fù)雜，某些協(xié)議還需要付費使用。

因此針對微波控制領(lǐng)域，定義了一種新的CAN總線應(yīng)用協(xié)議——微波控制協(xié)議MWCPro（MicroWave Control Protocol）。

1 MWCPro協(xié)議在大陣列磁控管控制系統(tǒng)中的設(shè)計

制定CAN總線應(yīng)用層協(xié)議時，需要考慮以下幾個方面：報文標識符的設(shè)計、多主或主從結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)的交換方式以及網(wǎng)絡(luò)的管理等。

在大陣列磁控管控制系統(tǒng)中，有整體控制、分組控制和單個控制的要求，因此每個磁控管都要有唯一的地址。采用主從式結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)的交換方式為主機向從機發(fā)送命令，從機返回數(shù)據(jù)以響應(yīng)主機命令，從機只可以主動報警。在整個系統(tǒng)中，固定一定數(shù)目的從機為一組，屬于分布式控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 大陣列磁控管控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其中 G0代表第 0組，Gn代表第 n組；S0代表第 0個從機，Sm代表第m個從機。

1.1 協(xié)議介紹

報文ID的設(shè)定是應(yīng)用層協(xié)議最主要的部分，它涉及報文的優(yōu)先權(quán)、延時、報文濾波的使用、可能形成的通信結(jié)構(gòu)和標識符使用的效率等。該系統(tǒng)相對簡單獨立，因此采用CAN 2.0A標準的11位標識符外加兩個數(shù)據(jù)字節(jié)作為每幀的ID，如表1所示。

組別號和從機號的組合除去廣播所用，共有105種，即整個系統(tǒng)可以有105個節(jié)點(主機或從機)。若選擇常用的Philips 82C250作為總線收發(fā)器，CAN節(jié)點數(shù)目已基本接近其極限110個。如果需要進一步擴大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，以掛接更多的節(jié)點，則可以把標準標志符改為29位的擴展標志符，并利用網(wǎng)控器進行擴展[6]。

1.2 協(xié)議設(shè)計

磁控管控制系統(tǒng)的功能需求包括：首先確定通信和工作都正常的微波源的個數(shù)以及控制終端之間有無地址沖突；選擇全部、分組或者單個微波源啟動或停止；實時監(jiān)測每個微波源的各項參數(shù)值，如電流、電壓、溫度、反射功率以及微波泄漏功率等；運行途中各微波源的值若超出設(shè)定的閾值（該閾值可修改），或者微波源本身出現(xiàn)故障（偶然故障或永久性故障），則實時報警，并且系統(tǒng)要采取相應(yīng)的措施停止相關(guān)功能的繼續(xù)運行。

根據(jù)以上功能要求設(shè)計了8種命令碼：

ORD0：報警幀（數(shù)據(jù)幀），無廣播形式，從機發(fā)送主機讀取，優(yōu)先權(quán)最高。為實現(xiàn)同時報警，功能碼和子功能碼中的每一位代表一種報警，即16種報警。

ORD1：輪詢在線（遠程幀），主機依次發(fā)送 ORD1命令給各個從機，從機接收后返回一個確認幀，以便主機確認該從機依舊在線。

ORD2：計算通信往返時間(遠程幀)，在確定所有從機都在線時，計算主機與從機之間一幀數(shù)據(jù)平均的往返時間。該往返時間將作為判斷從機響應(yīng)是否超時的標準。

ORD3：索要從機數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)幀），無廣播形式，從機發(fā)送主機讀取。

ORD4：從機地址沖突檢測（遠程幀），每個從機都向其所在組的其他從機發(fā)送ORD4，其他從機接收到ORD4后將所接收ID中的地址位與自身地址進行比較，若相同則以O(shè)RD0命令向主機報告地址沖突，否則無需響應(yīng)此消息；主機本身不對ORD4進行處理。

ORD5：廣播命令（遠程幀），開從機。

ORD6：廣播命令（遠程幀），關(guān)從機。

ORD7：修改從機參數(shù)（數(shù)據(jù)幀），無廣播形式，主機發(fā)送從機執(zhí)行。

ORD8～ORDF為預(yù)留命令碼。

2 MWCPro協(xié)議在大陣列磁控管控制系統(tǒng)中的實現(xiàn)

2.1 硬件實現(xiàn)

通過對比目前市場上常見的各種芯片，最終選擇意法半導(dǎo)體公司的STM32F103VBT6作為主芯片，該芯片為基于ARM Cortex-M3核心的32位控制器，它的突出優(yōu)點是：內(nèi)核結(jié)構(gòu)先進、功耗控制優(yōu)秀、接口豐富、處理速度高、全系列軟件與封裝高度兼容、性價比高等。

2.2 軟件實現(xiàn)

整個系統(tǒng)屬于主從控制，除了主動報警，從機只能被動地按主機的要求進行操作。軟件部分實現(xiàn)流程如圖2。

3 協(xié)議應(yīng)用

實際應(yīng)用中，共有9個微波發(fā)射終端，分為三組，每組三個從機，上位機采用運行WinCE系統(tǒng)的觸摸屏。人機界面如圖3所示。主要頁面有微波控制、實時曲線、溫度曲線設(shè)置、選項參數(shù)、溫度記錄以及事件記錄共六項。在微波監(jiān)控界面可以看到系統(tǒng)分為手動模式和自動模式，手動模式下可以自主選擇需要開啟的從機，通過手動開關(guān)微波發(fā)射終端控制各段爐溫；自動模式下默認啟動所有處于啟用狀態(tài)的從機，自動啟動和停止相關(guān)微波發(fā)射終端來控制各段爐溫處于設(shè)定溫度范圍內(nèi)。該系統(tǒng)根據(jù)材料燒結(jié)工藝將爐身分為四個溫區(qū)：預(yù)熱段、燒結(jié)段1、燒結(jié)段2和緩冷段。圖3所示系統(tǒng)當前工作在手動模式，啟動了預(yù)熱段A組的1和2號、燒結(jié)段I以及燒結(jié)段II的所有從機(緩冷段不需要加熱)。通過此界面可顯示以下6項報警：地址沖突、爐門、冷卻水、過流、欠流及超溫。

表1 報文ID的設(shè)計

圖2 系統(tǒng)運行流程圖

圖3 人機交互系統(tǒng)界面

該系統(tǒng)具有以下特點：

(1)采用時間觸發(fā)與事件觸發(fā)相結(jié)合的方式，將周期的數(shù)據(jù)請求幀與非周期的報警信息幀分別進行處理，大大提高了系統(tǒng)的靈活性和實時性。在該協(xié)議運行過程中，數(shù)據(jù)傳送穩(wěn)定、報警及時，基本達到設(shè)計要求，系統(tǒng)實用可靠。

(2)相比之前的PLC+觸摸屏的控制系統(tǒng)，CAN總線的控制方法不僅簡單高效，還大大降低了控制系統(tǒng)的成本。

該控制系統(tǒng)采用觸摸屏作為上位機，但觸摸屏本身不具備CAN接口，這時就需要轉(zhuǎn)換。根據(jù)系統(tǒng)需求及低成本、通用性等因素的綜合考慮，最終選擇利用STM32-F103VBT6內(nèi)部的串口作為與觸摸屏通信的接口，采用Modbus協(xié)議，即在芯片內(nèi)部實現(xiàn)CAN/RS232的轉(zhuǎn)換，它既能滿足系統(tǒng)需求，又不會增加額外的成本，并且大多數(shù)單片機都有RS232接口，通用性較強。使用過程中CAN/RS232的內(nèi)部轉(zhuǎn)換能夠滿足系統(tǒng)對實時性的要求。

上述觸摸屏控制系統(tǒng)在從機數(shù)目較多或者單機信息交換量較大的情況下，限于RS232的速率，有可能會造成數(shù)據(jù)堵塞。解決這個問題可以采用以下途徑：采用PC機加CAN/USB或CAN/PCI轉(zhuǎn)換接口代替觸摸屏加CAN/RS232，因為 RS232的最大傳輸速率只有115.2 kb/s，而USB2.0的傳輸速率為 480 Mb/s，為 RS232的 4 266倍；PCI的速率更是可以達到 1 064 Mb/s，為 RS232的9 457倍。因此這兩種途徑可以很好地解決數(shù)據(jù)堵塞問題。同時由于PC機可以直連的從機為110個(CAN總線本身性質(zhì)的限制)，如果要繼續(xù)擴展，加網(wǎng)控器[6]就可以使掛接的從機數(shù)成倍增加。即使是超大矩陣終端系統(tǒng)，采用以上兩種方案也完全可以實現(xiàn)實時控制。

基于MWCPro應(yīng)用層協(xié)議的CAN總線控制系統(tǒng)在實際應(yīng)用中數(shù)據(jù)傳輸速度快、配置靈活，整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定。雖然MWCPro協(xié)議是針對微波控制領(lǐng)域設(shè)計的，但是它的命令碼和功能碼便于修改，系統(tǒng)容易擴展，所以該協(xié)議也可以在其他較為簡單獨立的控制系統(tǒng)中使用，具有較強的實用性與通用性。

[1]劉文國，胡安，楊正新，等.基于 Windows CE的大功率微波嵌入式控制系統(tǒng)的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2010，36(8)：41-43.

[2]Robert Bosch GmbH.Bosch CAN Specification Version 2.0.1991.

[3]CiA CANOpen DS301_V04000201.2002.

[4]廣州周立功單片機發(fā)展有限公司.DeviceNetTM規(guī)范簡介.2004.

[5]廣州致遠有限公司.iCAN協(xié)議規(guī)范 Rev1.01.2007.

[6]徐超，曾锃，楊正新，等.工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域CAN/RS232接口的現(xiàn)狀與未來[J].機電一體化，2010，16(4)：18-20.