周 琦 龔元明

（上海工程技術(shù)大學(xué)汽車工程學(xué)院 上海 201620）

1 引言

在智能制造領(lǐng)域，總線集線器是適用于工業(yè)控制最底層的簡(jiǎn)單傳感器和執(zhí)行器的工業(yè)通信接口，能采集多路數(shù)字量模擬量信號(hào)［1］?？偩€集線器支持多從站和主站點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，各從站之間互不影響，具有良好的通信穩(wěn)定性，同時(shí)具有智能可配置性。總線集線器使工廠自動(dòng)化設(shè)備中典型應(yīng)用的傳感器網(wǎng)絡(luò)變得更高效和智能化，能夠?yàn)楣I(yè)傳感器制造商在工業(yè)4.0時(shí)代提供支持［2］。

CAN總線采用差分信號(hào)傳輸，抗干擾能力強(qiáng)，最高傳輸速率可達(dá)1Mbps，最大通信距離可達(dá)10km，可以大大降低信息傳輸延時(shí)，適用于對(duì)通信時(shí)序較為嚴(yán)格的控制系統(tǒng)［3］?？紤]到CAN總線啟用成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)自動(dòng)化電子領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，因此基于CAN總線協(xié)議對(duì)集線器開發(fā)設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

CAN總線集線器以英飛凌XC2234L為微控制器，通過底層驅(qū)動(dòng)對(duì)GPIO接口施密特觸發(fā)器的開關(guān)切換，可配置為數(shù)字量/模擬量輸入通道。設(shè)置M8物理接口，總共可采集16路傳感器信號(hào)，通過自定義協(xié)議將傳感器信號(hào)打包成CAN報(bào)文格式，由GPT單元對(duì)外定時(shí)發(fā)送。CAN總線集線器通過USB-CAN和上位機(jī)連接，基于CCP協(xié)議對(duì)Flash區(qū)的CAN參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，以適應(yīng)不同工作環(huán)境。集線器總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 集線器總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

為了滿足智能制造領(lǐng)域多從站和主站通信的要求，可配置各集線器不同CANID作為從站，通過CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和主站PLC連接。在實(shí)際應(yīng)用中以西門子S7-1200 PLC作為主站，采用泗博自動(dòng)化公司的CAN轉(zhuǎn)Profinet網(wǎng)關(guān)進(jìn)行主從連接［4］。CAN總線集線器采集工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電壓信號(hào)、電流信號(hào)、溫度信號(hào)等參數(shù)，經(jīng)網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換后傳入S7-1200PLC，整體系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 主站和多從站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 硬件設(shè)計(jì)

本CAN總線集線器基于英飛凌XC2234L單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。XC2234L是16位微控制器，包含MultiCAN接口、通用輸入/輸出端口（GPIO）以及16路A/D轉(zhuǎn)換通道，F(xiàn)lash閃存容量可達(dá)320KB［5］，完全滿足本設(shè)計(jì)要求。硬件設(shè)計(jì)主要包括電源模塊、CAN通信模塊和信號(hào)采集模塊。

3.1 電源模塊

圖3所示為電源模塊電路原理圖。為防止電源正負(fù)極接反時(shí)電路導(dǎo)通，在電源輸入端加入了二極管，保護(hù)后級(jí)電路。由于硬件系統(tǒng)最大驅(qū)動(dòng)電壓為5V，采用開關(guān)型降壓穩(wěn)壓器LM2576-5，配合二極管1N5819，穩(wěn)定輸出5V電壓。為主控制器和CAN收發(fā)器模塊提供工作電壓。

圖3 電源模塊原理圖

3.2 CAN通信電路

CAN通信模塊主要包括CAN控制器、CAN收發(fā)器、終端電阻和防靜電保護(hù)電路。英飛凌XC2234L微控制器集成了兩路MultiCAN接口，支持CAN V2.0B規(guī)范。CAN收發(fā)器采用英飛凌TLE6250GV33，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)1MBaud，可以承受工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣條件。TxD引腳和RxD引腳分別實(shí)現(xiàn)CAN報(bào)文的發(fā)送和接收，CANH引腳和CANL引腳實(shí)現(xiàn)差分信號(hào)傳輸，中間嵌入120歐姆終端電阻，增強(qiáng)抗干擾能力。CAN通信電路如圖4所示。

圖4 CAN通信模塊原理圖

3.3 信號(hào)采集電路

信號(hào)采集分為開關(guān)量信號(hào)采集和模擬量信號(hào)采集，總共16路通道。圖5所示為信號(hào)采集模塊原理圖。Vset為16路通道公共端，當(dāng)5K電阻R39接入電路時(shí)為開關(guān)量信號(hào)采集模式，斷開開關(guān)S1則為模擬量信號(hào)采集模式。運(yùn)算放大器MCP6004對(duì)模擬信號(hào)放大后輸入到單片機(jī)。模擬電壓輸入范圍為0～5V，微控制器器采用12位AD精度，對(duì)應(yīng)AD值為0～4095。采用肖特基二極管BAT54s把電壓鉗在0～5V，避免輸入電壓過大而燒毀電路［6］。在XC2234L的GPIO引腳接入雙色共陰LED管，可有效觀測(cè)數(shù)字量采集狀況。

4 軟件設(shè)計(jì)

底層硬件驅(qū)動(dòng)采用Dave軟件配置［7］，集成開發(fā)環(huán)境采用Tasking C166編譯器。Dave對(duì)驅(qū)動(dòng)層的配置可直接生成代碼，再通過Tasking加載生成代碼實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層功能。軟件設(shè)計(jì)主要包括通信協(xié)議設(shè)計(jì)和參數(shù)標(biāo)定設(shè)計(jì)。

圖5 信號(hào)采集模塊原理圖

4.1 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

本集線器采用M8接口，每個(gè)接口可采集兩路信號(hào)，共16路輸入信號(hào)。CAN報(bào)文有效字節(jié)為8個(gè)，第一字節(jié)為奇數(shù)端口數(shù)字量信號(hào)，第二字節(jié)為偶數(shù)端口數(shù)字量信號(hào)，第三字節(jié)為模擬量信號(hào)高八位，第四字節(jié)為模擬量信號(hào)低八位，第五字節(jié)為模擬量通道號(hào)，第六、七字節(jié)分別為A/D轉(zhuǎn)換通道總數(shù)和數(shù)字量通道總數(shù)。

表1 CAN通信協(xié)議示例

奇數(shù)端口和偶數(shù)端口以0～15依次命名，奇數(shù)端口為0～7，偶數(shù)端口為8～15，對(duì)應(yīng)整型二進(jìn)制數(shù)的16位。報(bào)文ID號(hào)為0x281，表1對(duì)該通信協(xié)議做示例說明。Byte0值為0x84，對(duì)應(yīng)二進(jìn)制10000100，表示奇數(shù)端口0和5為高電平。Byte1值為0x24，對(duì)應(yīng)二進(jìn)制00100100，表示偶數(shù)端口10和端口13為高電平。Byte2和Byte3合并后為16進(jìn)制0x0418，換算后表示傳感器輸入模擬電壓為1.28V。Byte4值為0x06，表示第六路模擬量通道。Byte6和Byte7為0x08，表示總共啟動(dòng)8路A/D轉(zhuǎn)換通道和8路數(shù)字量通道。

底層驅(qū)動(dòng)對(duì)XC2234L通用輸入/輸出端口的數(shù)字輸入禁用寄存器Px_DIDIS配置，主要為施密特觸發(fā)器開關(guān)狀態(tài)切換［8］，0為使能數(shù)字輸入級(jí)，1為禁用數(shù)字輸入級(jí)。AD轉(zhuǎn)換采用XC2234L順序請(qǐng)求源處理模式，通過調(diào)用ADC0_vStartSeq0ReqChNum（）函數(shù)啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換通道，由ADC0_uwGetResult?Data（）函數(shù)把AD值存放在結(jié)果寄存器中，再由CAN_Transmiter（）函數(shù)發(fā)出。該模式根據(jù)啟用的AD通道號(hào)依次輪詢，通過CAN報(bào)文的形式循環(huán)發(fā)送。

4.2 參數(shù)標(biāo)定設(shè)計(jì)

為了使集線器靈活應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)交互環(huán)境，可配置CAN總線波特率、幀類型、報(bào)文ID、發(fā)送間隔時(shí)間等參數(shù)［9］，并可以根據(jù)實(shí)際使用需求自由配置數(shù)字量/模擬量通道。

參數(shù)標(biāo)定采用CCP協(xié)議Polling問答模式［10］。首先在DAVE中配置接收節(jié)點(diǎn)M0和發(fā)送節(jié)點(diǎn)M1，M0節(jié)點(diǎn)ID設(shè)為0x001，M1節(jié)點(diǎn)ID設(shè)為0x281。在CAN中斷中調(diào)用函數(shù)ccpCommand（（CCP_BYTEP?TR）&M0.ubData［0］）。標(biāo)定參數(shù)Flash區(qū)起始地址設(shè)定為0x00C00200，RAM區(qū)映射地址設(shè)定如表2所示。

表2 RAM區(qū)參數(shù)地址分配表

一旦接收到0x001報(bào)文，立即觸發(fā)CAN中斷。用Connect（0x01）命令建立連接，然后SET_MTA（0x02）命令設(shè)置標(biāo)定參數(shù)地址，DNLOAD（0x03）命令下載參數(shù)標(biāo)定值［11］，對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行解析。DIS?CONNECT（0x07）命令結(jié)束標(biāo)定流程。通過調(diào)用CCPFlash函數(shù)庫，主要為ROM區(qū)標(biāo)定參數(shù)到RAM區(qū)地址映射，扇區(qū)擦除，F(xiàn)lash區(qū)參數(shù)寫入，以實(shí)現(xiàn)標(biāo)定參數(shù)掉電不丟失。其中，CAN波特率通過解析，對(duì)XC2234L節(jié)點(diǎn)位時(shí)序寄存器CAN_NBTROL進(jìn)行修改；CAN ID對(duì)應(yīng)報(bào)文對(duì)象仲裁寄存器CAN_MOAR1H和CAN_MOAR1L；發(fā)送間隔由RTC中斷控制，定時(shí)發(fā)送CAN報(bào)文。數(shù)字量/模擬量通道分別對(duì)應(yīng)0x01和0x02，通過解析A/DPort_State參數(shù)，啟動(dòng)相應(yīng)數(shù)字輸入通道和A/D轉(zhuǎn)換通道。標(biāo)定流程如圖6所示。

5 上位機(jī)標(biāo)定軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)基于QT Creator開發(fā)，通過周立功USB-CAN實(shí)現(xiàn)智能分線器和上位機(jī)的連接，上位機(jī)由CAN接口函數(shù)庫開發(fā)［12］。用戶交互主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)CAN報(bào)文以及標(biāo)定功能。接口函數(shù)調(diào)用周立功usb-can二次開發(fā)函數(shù)庫，主要用到以下函數(shù)：

VCI_StartCAN（m_devtype，m_devind，m_can?num）//啟動(dòng)USB-CAN

VCI_GetReceiveNum（m_devtype，m_devind，m_cannum；//獲取指定緩沖區(qū)數(shù)據(jù)

VCI_Receive（m_devtype，m_devind，m_can?num，frameinfo，50，200）；//CAN數(shù)據(jù)接收

VCI_Transmit（m_devtype，m_devind，m_can?num，&frameinfo，1）；//CAN數(shù)據(jù)發(fā)送

圖6 下位機(jī)標(biāo)定流程

啟動(dòng)USB-CAN時(shí)，首先初始化CAN配置，包括幀過濾驗(yàn)收碼、屏蔽碼、濾波方式以及波特率定時(shí)器［13］。然后讀取設(shè)備信息、設(shè)置設(shè)備參數(shù)、清除緩沖區(qū)。由于接收到的CAN報(bào)文會(huì)預(yù)先存入緩沖區(qū)，所以VCI_GetReceiveNum函數(shù)主要用途是配合VCI_Receive函數(shù)使用，先檢測(cè)緩沖區(qū)是否有未讀幀數(shù)，再接收，避免了系統(tǒng)一直調(diào)用VCI_Receive，節(jié)省了PC系統(tǒng)資源，提高運(yùn)行效率。標(biāo)定協(xié)議按照下位機(jī)CCP協(xié)議編寫，每條報(bào)文格式參照VCI_CAN_OBJ結(jié)構(gòu)體，由于下位機(jī)接收節(jié)點(diǎn)ID固定，所以只需要定義VCI_CAN_OBJ數(shù)組的首指針和每條報(bào)文的有效字節(jié)。參照下位機(jī)標(biāo)定設(shè)計(jì)，主要步驟為建立連接、設(shè)置RAM區(qū)參數(shù)標(biāo)定地址、寫入數(shù)據(jù)和斷開連接，由VCI_Transmit函數(shù)依次發(fā)送CAN報(bào)文命令。主要步驟如圖7所示。

上位機(jī)主界面主要是建立和集線器的連接，觀察集線器CAN報(bào)文的收發(fā)情況。子界面為標(biāo)定界面，可自由配置集線器CAN總線各參數(shù)。標(biāo)定界面如圖8所示。

圖7 上位機(jī)操作流程

圖8 集線器CAN參數(shù)標(biāo)定界面

6 西門子PLC編程及可靠性測(cè)試

PLC作為主站，經(jīng)過CAN轉(zhuǎn)Profinet網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)和智能集線器從站之間的通信［14］。網(wǎng)關(guān)配置軟件為泗博自動(dòng)化公司的TC-123，該軟件可完成TCO-151的配置，包括設(shè)備IP地址，子網(wǎng)掩碼，網(wǎng)關(guān)地址和設(shè)備名稱，CAN通信波特率，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)號(hào)，PDO（過程傳輸對(duì)象）訪問條目等參數(shù)。網(wǎng)關(guān)配置如圖9所示。

圖9 TCO-151網(wǎng)關(guān)配置

西門子S7-1200PLC程序由博圖V13編寫，首先加載第三方網(wǎng)關(guān)GSD文件完成硬件組態(tài)［15］，完成輸入/輸出8個(gè)字節(jié)的映射地址。圖10梯形圖為一組開關(guān)量校驗(yàn)程序，IN1和IN2進(jìn)行與運(yùn)算，當(dāng)結(jié)果不為0時(shí)，線圈閉合。按照CAN通信協(xié)議編寫共16組校驗(yàn)程序。對(duì)于模擬量的監(jiān)控可觀察報(bào)文接收數(shù)組的變化。

圖10 開關(guān)量校驗(yàn)程序

由上位機(jī)標(biāo)定軟件配置前八個(gè)通道為模擬量輸入，后八個(gè)通道為數(shù)字量輸入。給數(shù)字通道輸入5v電壓，模擬通道輸入0～5V可調(diào)電壓，觀察AD值變化。當(dāng)給第七通道輸入2.4V電壓時(shí)，對(duì)應(yīng)AD值應(yīng)為0x7e2。第八通道輸入開關(guān)量信號(hào)。打開博圖軟件監(jiān)控功能，圖10開關(guān)量校驗(yàn)程序中線圈Q1.0閉合，可驗(yàn)證開關(guān)量輸入準(zhǔn)確無誤。報(bào)文接收數(shù)組如圖11所示，接收?qǐng)?bào)文為00 80 07 e2 07 00 08 08，符合預(yù)期結(jié)果。

圖11 報(bào)文接收數(shù)組窗口

7 結(jié)語

本文利用英飛凌XC2234L單片機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)了CAN總線集線器，對(duì)硬件電路、底層軟件和上位機(jī)標(biāo)定界面、西門子PLC編程做了詳細(xì)介紹。通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M和測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確采集和在線標(biāo)定CAN節(jié)點(diǎn)等功能，實(shí)時(shí)性好，運(yùn)行平穩(wěn)，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。