馮志剛，邱 猛，田 豐

(沈陽航空航天大學 自動化學院，沈陽 110136)

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基于DSP和MCU的自確認氣動執(zhí)行器CAN總線通信系統(tǒng)

馮志剛，邱 猛，田 豐

(沈陽航空航天大學 自動化學院，沈陽 110136)

為了解決工業(yè)控制中自確認執(zhí)行器的數(shù)據(jù)采集與傳輸問題，同時滿足工業(yè)執(zhí)行器控制中的高速率和高可靠性，提出了一種基于TMS320F28335和C8051F060片內(nèi)集成CAN模塊構成的CAN總線通信系統(tǒng)。對CAN總線的優(yōu)點、工業(yè)應用情況、基本結構、硬件設計、軟件設計和CAN總線的位時間配置等方面做了詳細論述，搭建了基于自確認執(zhí)行器硬件平臺的CAN總線通訊系統(tǒng)并進行了實驗。實驗結果表明，系統(tǒng)可以滿足自確認氣動執(zhí)行器CAN節(jié)點的數(shù)據(jù)采集、傳輸和控制功能。

自確認氣動執(zhí)行器；CAN總線；TMS320F28335；C8051F060；分布式控制

執(zhí)行器作為接收控制信息并對被控對象進行控制的裝置，經(jīng)常在惡劣環(huán)境中工作，比如高寒、高熱、高堿、高粉塵、強腐蝕等等，因而很容易出現(xiàn)故障，對執(zhí)行器的故障診斷就顯得很迫切，因此自確認執(zhí)行器的概念被提了出來[1]。執(zhí)行器自確認功能的實現(xiàn)要求數(shù)據(jù)采集及傳輸具有高可靠性，這就對工業(yè)現(xiàn)場總線的抗干擾能力提出了較高的要求，另外對執(zhí)行器的自確認算法實現(xiàn)同樣需要較高的數(shù)據(jù)采樣率和傳輸速率，這就要求現(xiàn)場總線具有較快的傳輸速率。

控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network,CAN)[2]是由德國Bosch公司為汽車應用而開發(fā)的多主機局部網(wǎng)絡，主要在汽車上為眾多的電子設備通信服務[3]。CAN總線的使用可以減少汽車上眾多的其他信號線[4]，將其統(tǒng)一化。CAN總線可以跨接相當多的外圍器件，具有抗干擾能力強、傳輸速率高、傳輸距離長的特點。作為國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，CAN總線越來越多地應用到工業(yè)生產(chǎn)和汽車工業(yè)等分布式控制系統(tǒng)中，其具有的高抗干擾能力、高速數(shù)據(jù)傳輸能力和低成本特性完全可以作為執(zhí)行器的數(shù)據(jù)采集控制總線。

本文所采用的是集成了全功能CAN模塊的TMS320F28335高性能浮點DSP和C8051F060混合信號處理器。C8051F060負責節(jié)點的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸分發(fā)和自確認控制等，TMS320F28335負責接收數(shù)據(jù)完成自確認算法，上傳自確認算法結果等。

1 系統(tǒng)硬件設計

作為國際標準的唯一一種工業(yè)總線，CAN總線在國際上應用十分廣泛。本文使用的C8051F060和TMS320F28335都是集成了CAN控制器模塊的芯片。

C8051F060單片機集成了Bosch CAN控制器[5]，利用CAN協(xié)議進行串行通信。此控制器符合Bosch規(guī)范2.0A(基本CAN)和2.0B(全功能CAN)，可以很方便地在CAN網(wǎng)絡上通信。其CAN模塊的功能結構框圖如圖1所示。

CAN控制器中的CAN控制寄存器(CAN0CN)、CAN測試寄存器(CAN0TST)和CAN狀態(tài)寄存器(CAN0STA)可以被C8051F060單片機的特殊功能寄存器直接或間接地訪問。而CAN模塊的其他寄存器必須通過CAN0ADR、CAN0DATH和CAN0DATL用間接索引法訪問。

圖1 CAN控制器結構圖

DSP28335中集成的控制器局域網(wǎng)支持CAN2.0B全功能CAN，如圖2所示，并且DSP28335有兩個全功能的CAN模塊，eCAN-A和eCAN-B，每個模塊都具有32個完全可配置的郵箱和時間戳，為DSP28335提供了一個靈活強大的串行通信接口。

圖2 F28335增強型CAN控制器結構圖及接口電路

CAN傳輸所使用的物理介質(zhì)主要是雙絞線，在使用了光端機等轉換設備后，CAN總線還可以通過光纖傳輸。CAN在物理層采用差分電平傳輸，一共使用兩條信號線，CAN_H和CAN_L，靜態(tài)時兩條信號線的電壓差為0，而其對地的電壓均為2.5V。此時表示邏輯1(隱性電平)；用CAN_H比CAN_L高表示邏輯0(顯性電平)，此時通常CAN_H為3.5V，CAN_L為1.5V。

除了CAN控制器之外，在CAN控制器和物理總線之間，還必須有CAN收發(fā)器，將CAN控制器的邏輯電平轉換為CAN總線的差分電平，信號將會在總線電纜上以差分電平的形式傳輸數(shù)據(jù)。由于DSP28335標配使用TI的SN65HVD230作為CAN節(jié)點收發(fā)器，所以F060也使用SN65HVD230作為CAN節(jié)點收發(fā)器。在總線兩端分別需要接上120Ω的匹配電阻。SN65HVD230總線驅(qū)動器的輸出電平如圖3所示。

處理器(C8051F060和TMS320F28335)和CAN總線收發(fā)器的連接原理圖如圖4所示。其中MCU_CANRXB為處理器CAN模塊的接收引腳，MCU_CANTXB為其發(fā)送引腳。

圖3 SN65HVD230總線驅(qū)動器電壓輸出定義

圖4 SN65HVD230和處理器的接口電路

本文使用的CAN總線是應用在自確認氣動執(zhí)行器硬件系統(tǒng)的通信上，最大限度滿足通用性和算法驗證的目的。氣動執(zhí)行器硬件系統(tǒng)電路上集成了豐富的外圍通信端口，通過不同的配置以達到不同的應用目的。比如配置成為數(shù)據(jù)采集節(jié)點、存儲節(jié)點或是同上位機的接口節(jié)點等等。氣動執(zhí)行器硬件系統(tǒng)結構框圖如圖5所示。

本文對自確認執(zhí)行器硬件系統(tǒng)做不同配置后，其CAN總線通信連接拓撲圖如圖6所示。其中CAN通信系統(tǒng)主節(jié)點由單片機C8051F060和USB接口芯片CH376S[6](工作于USB設備模式)組成，主要實現(xiàn)上位機監(jiān)控軟件的實時控制和CAN數(shù)據(jù)采集節(jié)點的結果實時上傳到上位機監(jiān)控軟件；CAN總線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集處理節(jié)點由C8051F060和TMS320F28335雙處理器芯片組成，主要承擔氣動執(zhí)行器的數(shù)據(jù)采集、實時算法處理及氣動執(zhí)行器狀態(tài)的實時上傳。

CAN總線主節(jié)點主要承擔上位機和下位機數(shù)據(jù)幀的轉發(fā)，CAN從節(jié)點主要承擔數(shù)據(jù)采集處理和運算。一個工作流程大致是這樣的(以CAN總線主節(jié)點和氣動執(zhí)行器自確認硬件單元1為例)：硬件單元1的C8051F060采集氣動執(zhí)行器的內(nèi)部測點數(shù)據(jù)，主要包括：閥前閥后壓強、溫度、流量、控制輸出和桿的位移量6種數(shù)據(jù)。然后將數(shù)據(jù)存入雙端口RAM中，TMS320F28335從雙端口RAM中讀取數(shù)據(jù)做自確認算法，結果得出后通過CAN總線上傳到CAN主節(jié)點。一個從自確認節(jié)點的CAN總線地址這樣劃分：同一個節(jié)點的DSP的CAN地址總是比MCU的CAN地址小1。同一節(jié)點的MCU除了采集氣動執(zhí)行器的模擬量數(shù)據(jù)數(shù)字化存入雙端口RAM之外，還需要將數(shù)字化的原始數(shù)據(jù)上傳到主節(jié)點，以便上位機顯示原始數(shù)據(jù)的曲線(上位機接收數(shù)據(jù)的頻率比實際的采樣頻率低)。

2 CAN總線通信協(xié)議介紹和位時序配置

2.1 CAN總線通信幀格式介紹

CAN通信協(xié)議2.0A一共規(guī)定了4種不同的幀格式：數(shù)據(jù)幀、遠程幀、出錯幀和超載幀。CAN2.0B在CAN2.0A的基礎之上，將標示符從11位擴展到29位，其標準數(shù)據(jù)幀和擴展數(shù)據(jù)幀格式如圖7所示。本設計只使用CAN2.0B的29位標示符的擴展數(shù)據(jù)幀。

圖5 自確認氣動執(zhí)行器雙處理器硬件系統(tǒng)結構框圖

圖6 自確認氣動執(zhí)行器CAN總線通信系統(tǒng)結構框圖

2.2 CAN總線通信基本規(guī)則介紹

在CAN總線通信系統(tǒng)中，每個節(jié)點之間的位速率和其通信距離有密切的關系，依照通信距離來配置位速率。CAN總線的有效長度和傳輸速率成反比關系。CAN總線傳輸速率為1 Mbps時，距離不超過40 m，降低速率可以相應延長總線傳輸距離。當CAN總線傳輸率小于50 Kbps時，中繼總線長度可以延長到1km以上。

圖7 CAN總線標準數(shù)據(jù)幀和擴展數(shù)據(jù)幀結構圖

由于本設計主要是測試系統(tǒng)的功能性且距離很近，所以將對CAN總線系統(tǒng)做最高速1Mbps的配置設置。

2.3 CAN總線的位速率和位時序介紹及針對本設計位時序配置方法

CAN總線通信系統(tǒng)一般會在同一條總線上，所以就要求跨接在總線上的每個節(jié)點的波特率設置和波特率必須是一樣的。但是節(jié)點的芯片各種各樣，晶振也存在著誤差，會導致CAN的波特率沒有理想配置情況下的那么精確，這就要求CAN 具有一定的容錯能力。一般情況下很小的波特率誤差不會導致CAN總線系統(tǒng)的崩潰。但進行精確的CAN總線通信，必須正確的配置CAN的波特率，以保證各個節(jié)點可以正常且無誤的工作。

CAN支持的波特率的變化范圍很廣，可適應不同的控制系統(tǒng)和不同傳輸距離的總線通信，最低1 Kbit/s到最高1 Mbit/s。一般情況下，每個CAN網(wǎng)絡的節(jié)點都有自己的晶振，通常是石英晶體振蕩器。由于石英晶體振蕩器的頻率不是絕對準確的，隨著溫度或外界環(huán)境的變化都會導致其頻率發(fā)生變化，所以CAN通信系統(tǒng)可以支持小的誤差。只要這個誤差滿足CAN總線的最低要求，那就不會導致故障的發(fā)生，但配置CAN的位時間時必須考慮各個時段的值是否滿足CAN規(guī)范所定義的誤差公式。根據(jù)CAN協(xié)議的規(guī)定，一個位時間被劃分為4個不同的時間段[7](如圖8所示)，即同步時段(Synchronisation Segment)、傳播時段(Propagation Time Segment)、相位緩沖時段1(Phase Buffer Segment 1)和相位緩沖時段2(Phase Buffer Segment 2)。

圖8 CAN總線位時序結構框圖

每個時段都有多個特定的寄存器為決定其個數(shù)的量子的時間[8](如表1)。量子時間tq(time quantum)是一個位時間的基本單元，其由時鐘頻率(system clock)和波特率預分頻器(Baud Rate Prescaler)共同決定：即tp=BRT/fsys。其中，fsys是CAN的系統(tǒng)時鐘頻率；如果是MCU集成的CAN模塊，其等于MCU輸入CAN_CLK引腳的時鐘頻率，如果是獨立CAN芯片，那就是片上或片外時鐘頻率(或CAN_CLK引腳的輸入時鐘頻率)。位定時寄存器各個位段的含義如表1所示。

根據(jù)公式組(1)求出位定時器各個參數(shù)[9](TSEG1，TESG2，SJWP，BRP)的值：

Phase_Seg1+Phase_Seg2=位時間-(Sync_Seg+Prog_Seg)

SJW=min(4,Phase_seg1)

BRPE=BRP-1

SJWP=SJW-1

(1)

TSEG1=Phase_Seg1+Prog_Seg-1

TSEG2=Phase_Seg2-1

如果Phase_Seg1+Phase_Seg2為偶數(shù)，則Phase_Seg1=Phase_Seg2，否則Phase_Seg2=Phase_Seg1+1，Phase_Seg2至少應為2tq量子時間。

通常，位時序配置的計算是想獲得期望的位率或位時，而最終的位時必須是系統(tǒng)時鐘周期的整數(shù)倍，位時可能有4～25個tq時間。

表1 CAN總線位時間參數(shù)

系統(tǒng)時鐘的容差即(1-df)·fnom≤fosc≤(1+df)·fnom所決定的df，其中fosc是系統(tǒng)實際的晶振頻率，而fnom是標稱的晶振頻率。其中df是由同步緩沖時段1(Phase_Seg1)、同步緩沖時段2(Phase_Seg2)、同步跳轉寬度(SJW)和位時間(bit time)的比率所決定的[10]，滿足公式2。例如當Prog_Seg=1和Phase_Seg1=Phase_Seg2=SJW=4，允許的最大的晶振容差為1.58%。這個比率中傳輸時間只占位時間的10%，所以不適合短的位時間，在一個40米長的CAN總線上此傳輸時間最高支持的位速率為125kBit/s(位時間為8us)。

(2)

不同時鐘系統(tǒng)的CAN節(jié)點需要不同的配置以達到相同的位速率。CAN系統(tǒng)中的傳輸時間的配置是根據(jù)節(jié)點中最長的延時時間一次配置完成決定的，時鐘容差范圍由最小的節(jié)點的容差決定。計算表明CAN總線長度位速率需要減小或晶振的時鐘穩(wěn)定性需要提高，可以找到一個滿足協(xié)議配置的CAN總線的位時間。

C8051F060芯片CAN模塊位定時器配置要滿足的基本要求[12]，如表2所示。

表2 C8051F060的CAN模塊基本配置要求

由于傳輸距離比較短，我們擬采用1 Mbit/s，由此計算的位時間理想值為1 000 ns，因此選擇一個位時間為22 tq時間，位時間約為994.642 ns，此時的位速率實際值為1.005 39 Mbit/s?？偟膫鬏斞訒r為200 ns，因此取Prog_Seg必須大于200 ns，取5個tq時間(226.055 ns)，剩余的時間分配給Phase_Seg1和Phase_Seg2，即16個tq時間，所以Phase_Seg1和Phase_Seg2都等于8個tq時間。

寫入位定時寄存器的數(shù)值如公式3所示。BRP擴展寄存器(CAN時鐘分頻寄存器)其值不用修改，即保持其復位值0x0000。

BRPE=BRP-1=BRP擴展寄存器=0x0000

SJWp=SJW-1=min(4,8)-1=3

TSEG1=(Prog_Seg+Phase_Seg1-1)=5+8-1=12

TSEG2=(Prog_Seg2-1)=7

位定時寄存器=TSEG2*0x1000+TSEG1*0x0100+SJWp*0x0040+BRPE=0x7CC0

(3)

最后寫入C8051F060的CAN模塊位定時寄存器的值為0x7CC0。

下面用相似的方法配置F28335中CAN模塊的位定時寄存器[11]。F28335的CAN模塊的時鐘為F28335系統(tǒng)時鐘的二分頻，這點要特別注意。F28335系統(tǒng)時鐘為150 MHz時，CAN模塊的時鐘為75 MHz，和C8051F060一樣采用1 Mbit/s，BRP=4。其配置如表3所示。

表3 F28335的CAN模塊配置基本要求

F28335的CAN模塊位時序的計算公式如式(4)所示，其中TQ表示F28335的量子時間，以示和F060的區(qū)別。BRPreg=4，此時TQ=66.667ns。確定一個位時間為15個TQ時間。最終確定一個位時間為1ms。由公式(4)便可以求出位定時器的寫入值。

(4)

進一步確定位定時器寄存器寫入值，TSEG1reg=8，TSEG2reg=4。寫入CANBTC(32位)寄存器的值為：0x00040344(SAM位為0，即每個位采用一次)。

3 系統(tǒng)軟件設計

F060的CAN模塊通過2個緩沖寄存器組IF1和IF2同32個消息隊列RAM進行數(shù)據(jù)的存入和讀取[12]?？梢詫?2個消息隊列中的任何一個定義為讀取或發(fā)送RAM，IF1和IF2相當于架設在F060和CAN消息RAM之前的橋梁一樣。在處理IFx和消息RAM之間的數(shù)據(jù)流時，CAN模塊提供了一個消息處理的狀態(tài)機，它將自動在移位寄存器、消息RAM隊列和IFx消息緩沖寄存器組之間進行消息的傳送。因此在設計CAN通信的軟件時，只需對IFx消息隊列緩沖寄存器組進行處理即可完成對CAN消息RAM的初始化處理。F060的CAN模塊的初始化，接收中斷流程圖如圖9所示。

在初始化2個CAN消息隊列時，我們把IF1用于初始化發(fā)送消息隊列或發(fā)送消息時使用，IF2用于初始化接受消息隊列或用于接受消息時使用。在初始化發(fā)送和接收消息隊列之前，必須對所有的消息進行清空，然后通過Ifx命令掩碼寄存器設置幀格式。在設置命令掩碼寄存器時，不論是發(fā)送消息初始化還是接收消息初始化，WR/RD=1，發(fā)送消息對象和接收消息對象只在于ClrIntPnd的選擇是否為零，緊接著初始化仲裁寄存器。仲裁寄存器包括是否擴展幀，發(fā)送還是接收，以及消息對象號等進行初始化，發(fā)送和接收區(qū)別在于Dir，當Dir=1表示此消息對象用來發(fā)送數(shù)據(jù)，當Dir=0表示此消息對象用來接收數(shù)據(jù)。

圖9 F060的CAN模塊初始化配置和發(fā)送接收流程圖

通過消息對象進行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時，通過IFx寫入到命令掩碼寄存器，其中最主要的差別是WR/RD不一樣。WR/RD=1表示將緩沖寄存器組的數(shù)據(jù)寫入已初始化后的消息對象，WR/RD=0表示將消息對象的數(shù)據(jù)讀到緩沖寄存器組，此時標示符選中位一律為0，表示只進行CAN總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)交換(因為初始化在前一步已完成)。

F28335的初始化接收發(fā)送程序和F060類似。

4 系統(tǒng)實驗驗證

CAN總線的實驗連接如圖10所示。

實驗測試CAN總線通信時，氣動執(zhí)行器仿真數(shù)據(jù)預先存入到從節(jié)點C8051F060(CAN總線數(shù)據(jù)采集節(jié)點，下同)的FLASH中。實驗開始時，從節(jié)點F060將數(shù)據(jù)存入雙端口RAM中，同時也將原始數(shù)據(jù)通過CAN總線向主節(jié)點F060傳送。本節(jié)點F28335通過查詢雙端口RAM的信號量標志獲知是否數(shù)據(jù)已經(jīng)存取，然后取數(shù)據(jù)做自確認算法處理，將結果通過CAN總線發(fā)送到主節(jié)點F060，主節(jié)點F060將收到的原始數(shù)據(jù)以及從節(jié)點F28335的自確認運算結果數(shù)據(jù)全部通過CH376S總線跨接芯片傳送到上位機監(jiān)控軟件[13]。

圖10 自確認氣動執(zhí)行器CAN總線通信系統(tǒng)

上位機用Visual C++6.0集成開發(fā)環(huán)境編寫，由于CH376芯片提供了設備模式的windows下的驅(qū)動[14]。在編寫上位機時，只需安裝CH375驅(qū)動(CH376設備模式下的驅(qū)動，CH376設備模式完全兼容CH372[15]和主機模式基本兼容CH375)，同時將CH375DLL.H和CH375DLL.LIB復制到所在上位機監(jiān)控軟件工程所在文件夾中，鏈接到CH375鏈接庫，即可編寫上位機監(jiān)控軟件。

5 結論

CAN總線具有成本低、速率快、可靠性高等優(yōu)點，具有統(tǒng)一的國際標準，開發(fā)相對容易。本文將其作為自確認氣動執(zhí)行器硬件系統(tǒng)的標準總線，設計了硬件電路，編寫了相應的軟件，并進行了實驗驗證。結果表明，將CAN總線應用到自確認氣動執(zhí)行器系統(tǒng)，可以大大提高數(shù)據(jù)的傳輸速率和可靠性，為自確認氣動執(zhí)行器的工業(yè)應用提供了基礎和保障。實驗的上位機顯控界面如圖11所示，氣動執(zhí)行器自確認硬件單元將閥前閥后壓強、溫度、流量、控制輸出和桿的位移量共6種采集數(shù)據(jù)和DSP自確認的結果實時上傳到CAN的主節(jié)點，并通過上位機顯示。

圖11 自確認執(zhí)行器顯控界面

本文中實驗驗證時的自確認氣動執(zhí)行器采集處理節(jié)點僅有一個，很少涉及CAN總線節(jié)點的優(yōu)先級、統(tǒng)籌安排、復雜的CAN總線協(xié)議等，在今后的實驗中將進行多節(jié)點的CAN總線數(shù)據(jù)通信測試，以驗證探索自確認氣動執(zhí)行器多節(jié)點的CAN總線數(shù)據(jù)通信。

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(責任編輯：劉劃 英文審校：劉敬鈺)

CAN BUS communication system of self-validating pneumatic actuator based on DSP and MCU

FENG Zhi-gang，QIU Meng，TIAN Feng

(College of Automation,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136，China)

In order to solve the data collection and transmission problem of self-validating pneumatic actuator in industrial control while meeting the high-speed and high reliability requirements,a CAN-bus communication system based on CAN-module integrated in TMS320F28335 and C8051F060 is presented.First of all,the CAN bus advantages,industrial applications,basic structures,hardware design,software design and the configurations of CAN-bit timing are expounded in detail.Then,a CAN communication system is established based on self-validating pneumatic actuator hardware platform.The experimental results indicate that the system can meet the data collecting,transmitting and controlling functions of the self-validating pneumatic actuator CAN nodes.

self-validating (SEVA) pneumatic actuator;CAN bus;TMS320F28335;C8051F060;distributed control

2015-01-19

國家自然科學基金青年基金項目資助(項目編號:61104023)

馮志剛(1980-)，男，河北石家莊人，副教授，博士，主要研究方向：自確認傳感器/執(zhí)行器，E-mail：fzg1023@yeah.net。

2095-1248(2015)04-0057-10

TP336

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2015.04.010