基于CAN总线分布式网架健康状态监测系统

　　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PCs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．OB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ADO～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，由高电来此跳变到低电平，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。 [page]

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、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，将数据送人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。