基于CAN总线模块的网络测控系统的实现

1 引言
CAN总线控制网络和因特网采用统一的协议标准是 CAN总线控制网络和因特网集成的方式之一，目前，它还是一个探索性的工作。虽然嵌入式控制的应用已经十分广泛，但是 CAN总线控制网络和因特网采用统一的协议标准还是一个崭新的课题。这种方式将成为控制网络和因特网络完全集成的最终解决方案。由于分布式控制网络采用了面向不同应用的协议标准，因此二者集成时需要某种数据格式的转换机制，这将使系统复杂化，而且也不能确保数据的完整性。本文给出了基于 CAN总线模块的网络测控系统的各个硬件模块，以及 CAN通信的软件编程思想。
2 硬件系统的逻辑结构模块
2.1 分布式测控系统结构
 
图 1 基于 CAN总线的分布式测控系统结构网络测控系统扩展 CAN总线模块，要担负至少两个方面的任务：一是支持现场操作，包括数据采集、人机对话等；二是与上级节点进行数据交互，作为网络测控系统的底层设备。本文针对实验室的过程控制设备模拟工业现场设计了基于现场总线 CAN的分布式数字测控卡，系统结构框图如图 1所示。

基于 CAN总线的分布式测控卡主要由单片机 C8051F060,输入/输出电路、电源电路、人机接口和通信接口几部分组成。测控卡的工作原理如下：C8051F060单片机是完全集成的混合信号片上系统型 MCU，是数据采集与实施控制的理想微型控制器。它集成了两个 16位、1Msps的模拟/数字转换器，且带有 DMA控制器 ;集成有两个 12位数字/模拟转换器，具有可编程数据更新方式；集成有控制器局域网(CAN2.0B)控制器，具有 32个消息对象，每个消息对象有自己的标识掩码。工业现场设备的状态参数通过 I/V转换成电压信号， C8051F060单片机采集此信号后，通过 CAN总线发送给上级网络节点，同时上级网络节点下传的命令和参数经 DAC和 V/I转换电路转换成 0-20mA的电流信号，控制现场设备。人机界面提供系统状态与操作人员的友好交流平台，且备用了一路 RS-232异步串行通信总线。
本测控卡的微处理器是新华龙公司生产的单片机 C8051F060，该系列芯片是集成在一块芯片上的混合信号系统级单片机，其内核是与 MCS-51指令集完全兼容的 CIP-51微控制器内核，可以使用标准 803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发。
在设计该测控卡时，为了增加系统的灵活性，将测控卡设计成了两块 PCB插接在一起的方式。C8051F060，JTAG接口及其晶振独立出来，设计在一块板子上称为核心板，系统的其他应用设计在另一块板子上称为应用板。核心板已构成了最简单片机系统，可以在不需要外围电路的基础进行程序的下载和调试；而应用板则可根据系统的需要灵活设计外围电路，这样，对于不同系统的应用需要只需修改应用板就可以了。
2.2 JTAG调试接口与晶振电路
在 C8051F系列单片机片内都有一个 JTAG接口和逻辑，在上位机软件的支持下，PC机通过 JTAG接口直接对控制系统进行在系统仿真调试。它不仅支持 FLASH ROM的读/写操作以及非侵入式在系统调试，而且还为 JTAG逻辑在系统测试提供了边界扫描功能。 C8051F系列单片机上的四个引脚 TDI, TDO, TMS, TCK与调试工具串口适配器(RS232到 JTAG的接口模块)直接相连，进行程序的下载和调试。图 2 (a)是 JTAG调试接口。
C8051F060单片机包括一个可编程内部振荡器和外部振荡器驱动电路，系统可以由外部振荡器电路或内部振荡器分频提供。系统复位后可编程内部振荡器被默认为系统时钟，且对应 24.5MHz的基频。而外部振荡器电路可以驱动外部晶体、陶瓷谐振器、电容或 RC网络，也可以使用一个外部 CMOS时钟提供系统时钟。为了使串行通信接口的波特率精确更高，本测控卡使用了外部 11.0592MHz的晶振，并可用 l0MΩ电阻并联到晶振的两端，使系统更容易起振，如图 3(b)所示。

2.4 电源电路
C8051F060单片机的工作电压为+3.3V，测控系统中还使用了 5V器件，本文设计了如图 3所示的电源电路。首先 220V交流电经滤波器进行共模滤波和差模滤波，为了降低电源工作时的电磁辐射，将交流电整流成高压直流电，然后进入电源模块 HAT15-05H12-WFCI得到输出+5V和一个+12V的两路直流电压。+12V供 ADC电路和 DAC电路单元使用，另一路 5V电源供 MAX202等 5V器件使用。3.3V电源部分采用了 LDO芯片 SPX1117M3-3.3，其特点是输出电流大，输出电压精度高，稳定性高。[!--empirenews.page--]

C8051F060器件具有控制局域网(CAN)控制器，用 CAN协议进行串行通信。Silicon Labs CAN控制器符合 Bosch规范 2.0A(基本 CAN)和 2.0B(全功能 CAN)。CAN控制器包含一个 CAN核、消息 RAM、消息处理状态机和控制寄存器。C8051F060内部的 CAN只是一个协议控制器，不提供物理层驱动器。它的工作位速率可以达 1M位/秒，实际速率可能受 CAN总线上所选择传输数据的物理层的限制。CAN处理器有 32个消息对象，可以被配置为发送或接受数据。输入数据、消息对象及其标识掩码存储器在 CAN消息 RAM中。所有数据发送和接收过滤的协议处理全部由 CAN控制器配置 CAN控制器，读取接收到的数据和写入待发送的数据。CAN控制器的时钟等于 CIP-51 MCU的时钟(SYSCLK)。由于考虑到系统在不同场合的适用性，采用了两路 CAN驱动器。一路采用 TI公司生产的 SN65HVD230，工作电压 3.3V，适应恶劣工作环境的 CAN总线收发器，其最大传输能力可达 1Mbps。具有失地保护、过压保护、过热保护等功能。第 8脚的不同设置可以使芯片工作于高速、斜坡控制和低功耗 3种工作模式。本测控卡中，第 8脚接地使芯片工作于高速模式。并联在总线上的 30pF的电容 C24, C25可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。
另一路采用的是 82C250CAN收发器，芯片 82C250是 CAN控制器与物理总线之间的接口，它最初是为汽车中的高速应用(达 1 Mbps)而设计的。器件可以提供对总线的差动发送和接收功能。
82C250采用双向差分驱动，有助于抑制汽车等恶劣电气环境下的瞬变干扰。利用 82C250还可方便地在 CAN控制器与驱动器之间建立电气隔离，以实现总线上各节点间的电气隔离。本系统中 82C250的通信电路如图 4。

 

3 软件实现
本节中将对系统软件进行详细阐述。由于被测控的几个量都是缓慢变化的，对测控系统的实时性要求不高。单片机大部分时间在进行参数测量，每次测量结束后使用查询方式将测量结果保存到数据缓冲池中。由于单片机的 RAM容量有限(C8051F060具有 4K的 RAM )，笔者使用了数据缓冲池，以保存一定数量的测量结果。缓冲池使用先进先出策略，在保存时先判断缓冲池是否填满，没满时缓冲指针加 1，数据保存进下一个单元，填满时使指针指向缓冲池的顶部，数据保存进缓冲池，以前的数据丢掉。本系统的设计重点是 CAN通信，因此，在 CAN通信时采用了中断方式。整个测控系统部分的软件流程图如图 5。
 

本文作者创新点：本文详细介绍了基于 CAN总线模块的网络测控系统的实现方法。该测控系统是采用 C8051F060作为微控制器，充分利用了该单片机丰富的片上资源，如 CAN控制器、AD转换器、DA转换器等，最后介绍了软件的编程思想。