1  引言

    隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們的生產(chǎn)行為、生活方式都發(fā)生了重大的變化，作為生活生產(chǎn)中非常重要的一項(xiàng)技術(shù)即監(jiān)控技術(shù)的重要性正在逐漸被人們所認(rèn)識(shí)和重視。監(jiān)控系統(tǒng)的演變，是一個(gè)從集中監(jiān)控向網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的發(fā)展歷史。早期的監(jiān)控系統(tǒng)，采用大型儀表集中對(duì)各個(gè)重要設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，并通過(guò)操作盤(pán)來(lái)進(jìn)行集中式操作。而計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是以監(jiān)測(cè)控制計(jì)算機(jī)為主體，加上檢測(cè)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與被監(jiān)測(cè)控制的對(duì)象（生產(chǎn)過(guò)程）共同構(gòu)成的整體。在該系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程的檢測(cè)、監(jiān)督和控制功能。在現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)和管理中，大量的物理量、環(huán)境參數(shù)、工藝數(shù)據(jù)、特性參數(shù)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、監(jiān)督管理和自動(dòng)控制。本文主要設(shè)計(jì)了 CAN 總線測(cè)控系統(tǒng)中的 DSP 下位機(jī)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控裝置及通信軟件。

    2  測(cè)控節(jié)點(diǎn)的總體設(shè)計(jì)

    本文所討論的測(cè)控系統(tǒng)是以 CAN 總線為基礎(chǔ)，結(jié)合 PC 機(jī)和 DSP 測(cè)控節(jié)點(diǎn)來(lái)完成數(shù)據(jù)的采集工作的。因此 CAN 總線上的測(cè)控節(jié)點(diǎn)具有很重要的作用。節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1.

　　圖 1　 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

    網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，可以采用單獨(dú)的微控制器、CAN 控制器和 CAN 收發(fā)器組合而成，也可以將微控制器和 CAN 控制器集成在一起的帶有在片 CAN 的微控制器。節(jié)點(diǎn)控制器的選擇有兩種方案，一種是選擇 MCS196 等單片機(jī)，但是必須在外部擴(kuò)充高的 A/D 轉(zhuǎn)換器、CAN 通信模塊、定時(shí)器等模塊，處理數(shù)據(jù)能力較低。而另一種方案采用具有在片 CAN 的微處理 器，如 PHILIPS 的 81C90/91、TMS320LF2407 處理器等。因?yàn)?TMS320LF2407 具有較高的 運(yùn)行速度和數(shù)據(jù)處理能力，因此，在本系統(tǒng)中采用 TMS320LF2407 作為節(jié)點(diǎn)的微處理器。

    3 CAN 總線接口電路及工作原理

    CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network, CAN）的簡(jiǎn)稱，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車(chē)電子產(chǎn)品著稱的德國(guó)BOSCH公司開(kāi)發(fā)了的，并終成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO118?8）。是國(guó)際上應(yīng)用廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。 在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車(chē)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專(zhuān)為大型貨車(chē)和重工機(jī)械車(chē)輛設(shè)計(jì)的J1939協(xié)議。近年來(lái)，其所具有的高可靠性和良好的錯(cuò)誤檢測(cè)能力受到重視，被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)和振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境

    TMS320LF2407 與物理總線之間通過(guò) CAN 總線收發(fā)接口電路來(lái)連接。從 CAN2.0 協(xié)議 的特征可知，一條總線上節(jié)點(diǎn)數(shù)可以無(wú)限多，但要受到總線驅(qū)動(dòng)能力限制，考慮這一點(diǎn)，設(shè)計(jì)中采用收發(fā)驅(qū)動(dòng)芯片方案。本文選用 Philips 公司的 CAN 總線驅(qū)動(dòng)器 82C250.CAN 總線驅(qū)動(dòng)器提供了 CAN 控制器與物理總線之間的接口，是影響網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵因素之一。它初是為汽車(chē)中的高速應(yīng)用（達(dá)1Mbps）而設(shè)計(jì)的。器件可以提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送和接收能力。

　　圖 2　 硬件接口電路圖

    以 TMS320LF2407 為芯片，PCA82C250 為驅(qū)動(dòng) CAN 控制器和物理總線間的接口， 對(duì)總線提供差動(dòng)發(fā)送能力，對(duì) CAN 控制器提供差動(dòng)接收能力。因?yàn)?TMS320LF2407 用 3.3V 的電壓，PCA82C250 用 5V 的電壓，所以需要電平轉(zhuǎn)換。圖中：R2、R3、R4 和二極管 D 組成的電路為電平轉(zhuǎn)換電路，R1 為 CAN 終端匹配電阻。接口電路如圖 2 所示。

    如果考慮到提高系統(tǒng)的抗干擾能力，可以在 CAN 總線收發(fā)器 PCA82BC250 前增加 2 個(gè) 高速光電隔離器件 6N137 芯片，實(shí)現(xiàn)總線與控制器的隔離，可以保護(hù)總線不受瞬態(tài)沖擊的影響，并可提高節(jié)點(diǎn)的總線驅(qū)動(dòng)能力。

    4  軟件設(shè)計(jì)

　　圖 3 從節(jié)點(diǎn)主程序流程圖

    節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要包括四大部分：CAN 現(xiàn)場(chǎng)智能測(cè)控裝置初始化、報(bào)文查詢發(fā)送及中斷接收、用戶 A/D、D/A 轉(zhuǎn)換子程序即協(xié)議實(shí)現(xiàn)程序。其主程序的實(shí)現(xiàn)流程如圖 3 所示。 本測(cè)控裝置的節(jié)點(diǎn)通信軟件采用的語(yǔ)言是 DSP 的 C 語(yǔ)言嵌入?yún)R編語(yǔ)言，因?yàn)樵谟?C 語(yǔ)言開(kāi)發(fā) DSP 應(yīng)用程序時(shí)，可能會(huì)遇到一些對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高或是需要對(duì) DSP 的底層資源進(jìn)行操作的場(chǎng)合。這時(shí)如果用  C 語(yǔ)言編寫(xiě)相應(yīng)的代碼就會(huì)給開(kāi)發(fā)帶來(lái)一定的難度，甚至某些操作 C 語(yǔ)言根本就無(wú)法實(shí)現(xiàn)。這時(shí)，就需要在 C 語(yǔ)言中嵌入?yún)R編語(yǔ)言。

    4.1  節(jié)點(diǎn)的通信初始化流程

    CAN 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控裝置節(jié)點(diǎn)的初始化主要包括：系統(tǒng)初始化、CAN 初始。系統(tǒng)初始化包括開(kāi)中斷優(yōu)先級(jí)、清中斷標(biāo)志等。CAN 初始化主要包括：局部接收屏蔽寄存器的設(shè)置、主控制寄存器的設(shè)置、郵箱方向控制寄存器的設(shè)置、波特率參數(shù)設(shè)置、郵箱標(biāo)識(shí)符的設(shè)置、郵箱的設(shè)置和中斷允許寄存器的設(shè)置等。

    1、位定時(shí)器的初始化

    在對(duì)位定時(shí)器（BCR1  和  BCR2）進(jìn)行初始化時(shí)，首先注意要對(duì) CAN 模塊主控制寄存器 MCR 中的 CCR（改變配置請(qǐng)求位）置 1,并對(duì)全局狀態(tài)寄存器 GSR 中的 CCE（改變配置始能位）置 1,方可進(jìn)行下面的初始化。因?yàn)榇藭r(shí) CAN 控制器處于脫離 CAN 總線狀態(tài)，因此當(dāng)配置完位定時(shí)器后，將 CCR 位清零，使 CAN 控制器恢復(fù)總線。CAN 控制器波特率的計(jì)算方法如下：

    波特率=ICLK/ [（BRP+l）+Bit Time]

    其中：TCLK 為 CAN 控制器的時(shí)鐘頻率，也就是 DSP 的系統(tǒng)頻率。BRP 為波特率預(yù)分頻位，決定CAN 控制器的時(shí)間片（TQ）。TQ= （BPR+1）/ ICLK

    位時(shí)間（Bit Time）=（TSEGl+1）+（TSEG2+1） +1

    TSEG1 為時(shí)間段1,可編程為 3 到 16 個(gè) TQ 時(shí)間片。TSEG2 為時(shí)間片 2,可編程為 2到 8 個(gè) TQ 時(shí)間片，但必須滿足小于或等于時(shí)間段 1.

    2、CAN 初始化。對(duì) CAN 控制器的訪問(wèn)是以外部存儲(chǔ)器的方式。

    4.2 CAN 信息的發(fā)送與接收

    本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的傳輸速率設(shè)置為 1Mbps,將郵箱 0、2 配置為接收郵箱，其中郵箱 2 為 命令信息專(zhuān)用郵箱，用于接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的控制命令。郵箱 0 用來(lái)接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的節(jié)點(diǎn)參數(shù)，節(jié)點(diǎn)可根據(jù)這些參數(shù)來(lái)重新配置節(jié)點(diǎn)的信息。將郵箱3配置為發(fā)送郵箱，這個(gè)郵箱用于節(jié)點(diǎn)給上位機(jī)發(fā)送信息。

    4.2.1 CAN 發(fā)送程序

    數(shù)據(jù)從 CAN 控制器發(fā)送到 CAN 總線是由控制器自動(dòng)完成的，所以 DSP 在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)只需把要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀發(fā)送到 CAN 的發(fā)送區(qū)（郵箱 3），然后將發(fā)送控制寄存器中的相應(yīng)位置1 即可啟動(dòng)發(fā)送命令，當(dāng) CAN 控制器將數(shù)據(jù)成功發(fā)送后會(huì)將發(fā)送控制寄存器中的發(fā)送成功 標(biāo)志位置 1,通過(guò)判斷這一位是否為 1,用戶即可知數(shù)據(jù)是否發(fā)送。如果發(fā)送的數(shù)據(jù)非常大，可以用郵箱 4 或 5,郵箱輪流發(fā)送，一個(gè)郵箱發(fā)送完成即啟動(dòng)另一個(gè)郵箱。由于 DSP 的在片 ADC 模塊是 10 位的，即采集到的數(shù)據(jù)為10 位，而郵箱為 16 位，為此我們?cè)诎l(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將采樣的結(jié)果通過(guò)移位后將多個(gè)采樣結(jié)果合在一起發(fā)送，可減少所發(fā)送的幀。

    4.2.2 CAN 接收程序

    本系統(tǒng)中幀的接收以中斷方式。CAN  控制器在接收信息時(shí)，先將要接收的信息的標(biāo)識(shí)符與相應(yīng)的接收郵箱的標(biāo)識(shí)符進(jìn)行比較，只有標(biāo)識(shí)符相同的信息才能被接收。CAN 控制器的接收濾波器使接收郵箱可以忽略更多的位來(lái)接收信息，即如果只有被屏蔽的那幾位標(biāo)識(shí)符不相符，則接收郵箱仍可接收此信息。當(dāng)接收屏蔽使能位為 0 時(shí)，則局部接收屏蔽寄存器不起作用。CAN 的接收流程圖如圖 4 所示。

　　圖 4 CAN 接收流程圖

    現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控裝置的中斷服務(wù)程序，包括接收數(shù)據(jù)中斷并保存接收到的數(shù)據(jù)，同時(shí)處理相應(yīng)的錯(cuò)誤中斷。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)（PC 機(jī)）向從節(jié)點(diǎn)（現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控裝置）發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)命令時(shí)，從節(jié)點(diǎn)即產(chǎn)生接收數(shù)據(jù)中斷。進(jìn)入中斷服務(wù)程序后首先保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，然后 CPU 讀出接收緩沖區(qū)的內(nèi)容，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)、中斷返回后調(diào)協(xié)議分析程序。

    4.2.3  協(xié)議實(shí)現(xiàn)程序

    中斷服務(wù)程序結(jié)束后，讀出節(jié)點(diǎn)  ID,并讀出命令內(nèi)容，進(jìn)行任務(wù)分析，根據(jù)任務(wù)分析的結(jié)果確定數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)，并向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。其協(xié)議實(shí)現(xiàn)程序框圖如圖 5 所示。

　　圖 5　 節(jié)點(diǎn)協(xié)議實(shí)現(xiàn)框圖

    4.2.4  用戶子程序設(shè)計(jì)

    對(duì)從節(jié)點(diǎn)子程序的設(shè)計(jì)，主程序通過(guò)調(diào)用子程序即可完成，這樣減少了程序重復(fù)編寫(xiě)。 子程序的模數(shù)轉(zhuǎn)換是利用 TMS320LF2407 內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，避免了芯片的外擴(kuò)的工作。A/D 轉(zhuǎn)換是采用定時(shí)中斷的方式，這里用定時(shí)器 3.

    本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：

    本文從軟硬件方面詳細(xì)描述了基于 DSP 現(xiàn)場(chǎng)硬件智能測(cè)控裝置及通訊軟件的設(shè)計(jì)。其中從節(jié)點(diǎn)通訊軟件主要包括：CAN 現(xiàn)場(chǎng)智能測(cè)控裝置初始化，報(bào)文發(fā)送及中斷接收。