1、 CAN總線分布式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)由上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)、CAN總線適配卡和控制單元三部分構(gòu)成。其中上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)采用IBM-PC兼容機(jī)，主要負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接收與管理、控制命令的發(fā)送以及各控制單元?jiǎng)討B(tài)參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示?？刂茊卧詥纹瑱C(jī)為核心，主要負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對(duì)SJA1000進(jìn)行操作和控制。CAN總線適配卡，可使PC機(jī)方便地連接到CAN總線上。它內(nèi)嵌微處理器、CAN總線控制器、CAN總線收發(fā)器和雙口RAM。雙口RAM作為PC機(jī)與CAN總線適配卡的數(shù)據(jù)共享區(qū)，通過(guò)設(shè)備將其映射成PC機(jī)的物理內(nèi)存，實(shí)現(xiàn)CAN與PC機(jī)的高速數(shù)據(jù)交換。CAN總線適配卡上帶有光電隔離，可增強(qiáng)系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中的抗干擾能力?？偩€兩端各有1個(gè)電阻R（約120Ω）起總線阻抗匹配作用。

2 、CAN適配卡的設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

CAN適配卡的硬件組成框圖如圖2所示，由ISA接口、雙口RAM、CPU、CAN通信控制器SJA1000、CAN總線接口82C250等組成。由于帶有片上CAN控制器的單片機(jī)都含較多的I/O線、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、A/D等功能，往往較復(fù)雜，因此微處理器使用價(jià)廉的AT89C51單片機(jī)。為了進(jìn)一步提高抗干擾措施，在2個(gè)CAN器件之間使用了由高速隔離器件6N137構(gòu)成的隔離電路。光耦兩側(cè)應(yīng)采用DC-DC隔離電源。硬件電路中使用82C250的目的是為了增大通信距離。要實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和CAN控制器之間的數(shù)據(jù)傳送，必須在PC機(jī)和適配卡上的MPU之間建立起雙向的數(shù)據(jù)交換通道。通過(guò)ISA總線實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換有多種實(shí)現(xiàn)方法。本適配卡采用集成雙口RAM實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。由于CAN信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)（8字節(jié)數(shù)據(jù)），雙口RAM的容量要求并不大，本卡選用2K×8位的帶中斷請(qǐng)求信號(hào)INT和忙信號(hào)BUSY的IDT7132。具體的連接電路如圖3、圖4所示。上位PC機(jī)對(duì)雙口RAM的尋址方式采用I/O尋址方式，使用的控制線為IOW和IOR。為避免產(chǎn)生讀寫(xiě)錯(cuò)誤，使用雙口RAM的關(guān)鍵是處理好爭(zhēng)用現(xiàn)象。IDT7132提供了中斷判優(yōu)和硬件判優(yōu)兩種方式。當(dāng)兩端口爭(zhēng)用同一地址單元時(shí)，由片內(nèi)硬件電路，根據(jù)兩邊的地址、片選、讀寫(xiě)信號(hào)到達(dá)先后順序，裁決哪個(gè)端口有使用權(quán)。如左端口優(yōu)先使用，則自動(dòng)將右端口的BUSYR信號(hào)拉為低電平，通知右側(cè)暫停讀寫(xiě)操作。在本適配卡中，由于8031沒(méi)有READY信號(hào)，可以將此信號(hào)接至8031的P1.0上。當(dāng)8031發(fā)出讀寫(xiě)IDT7132命令時(shí)，根據(jù)P1.0口的值就可判斷對(duì)IDT7132讀寫(xiě)是否存在沖突。當(dāng)P1.0的值為0時(shí)，存在沖突，必須重發(fā)讀寫(xiě)IDT7132的命令。由于ISA總線既沒(méi)有READY信號(hào)，也沒(méi)有通用的I/O引腳，因此將BUSYL信號(hào)通過(guò)三態(tài)門(mén)接至ISA數(shù)據(jù)線的最低位D0。用ISA總線的一個(gè)空閑I/O端口打開(kāi)三態(tài)門(mén)，通過(guò)D0讀取BUSYL的狀態(tài)。

SJA1000為CAN總線微控制器，是PHILIPS公司的PCA82C200的替代產(chǎn)品，可完成CAN總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能。SJA1000內(nèi)部RAM由寄存器組和報(bào)文緩沖區(qū)組成。發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)共用同一段CAN地址16H～18H，共3個(gè)單元，能存儲(chǔ)一條將在CAN總線上發(fā)送或接收的完整的報(bào)文。具有64字節(jié)擴(kuò)展接收緩沖器RXFIFO，其CAN地址為32H～95H（地址為96H～109H的區(qū)域是存放發(fā)送信息的備份），有了64字節(jié)的REFIFO，CPU可以在處理一個(gè)報(bào)文的同時(shí)繼續(xù)接收其他到來(lái)的報(bào)文；具有接收濾波器，它把報(bào)文頭中的標(biāo)識(shí)符（ID）和驗(yàn)收碼寄存器中的內(nèi)容進(jìn)行比較，以判斷該報(bào)文是否被接收。如果被接收，報(bào)文存入RXFIFO。CAN信息幀格式及單濾波方式的驗(yàn)收濾波器流程圖如圖5所示。

格式信息內(nèi)容如下：

FF=1，本幀為標(biāo)準(zhǔn)幀；FF=0，本幀為擴(kuò)展幀。RTR=1，為遠(yuǎn)程幀;RTR=0，為數(shù)據(jù)幀。DLC.3～DLC.0表示數(shù)據(jù)字節(jié)的長(zhǎng)度，最大值為8。驗(yàn)收濾波原理：初始化時(shí)將標(biāo)識(shí)符ID寫(xiě)入驗(yàn)收碼寄存器ACR中，驗(yàn)收屏蔽寄存器AMR為0的位，ACR和CAN信息幀的對(duì)應(yīng)位必須相等才算驗(yàn)收通過(guò)，AMR為1的位，CAN信息幀的對(duì)應(yīng)位不驗(yàn)收。驗(yàn)收時(shí)對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)幀；11位標(biāo)識(shí)符和RTR對(duì)應(yīng)ACR0的8位和ACR1的高4位。對(duì)于擴(kuò)展幀：29位標(biāo)識(shí)符和RTR對(duì)應(yīng)4個(gè)ACR，只是ACR3和AMR3的低2位未用。MAX813組成硬件復(fù)位及看門(mén)狗電路。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

適配卡主要承擔(dān)上位計(jì)算機(jī)和CAN節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，其軟件設(shè)計(jì)包括兩部分。一是PC機(jī)端的應(yīng)用程序接口（API）函數(shù)，采用可視化的編程工具Builder C++編寫(xiě)，主要包括按CAN報(bào)文格式向適配卡上雙口RAM寫(xiě)入控制命令、請(qǐng)求控制單元發(fā)送數(shù)據(jù)命令。在雙口RAM引起的中斷服務(wù)程序中，讀取雙口RAM中由AT89C51轉(zhuǎn)發(fā)的控制單元發(fā)送的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。雙口RAM向PC機(jī)發(fā)出的中斷請(qǐng)求INTL，是由單片機(jī)將接收的數(shù)據(jù)寫(xiě)入雙口RAM后再寫(xiě)雙口RAM片內(nèi)地址為7FEH單元觸發(fā)的。二適配卡上單片機(jī)端的程序設(shè)計(jì)，采用匯編發(fā)的。二是適配卡上單片機(jī)端的程序設(shè)計(jì)，采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，分為主程序、INT0和INT1中斷服務(wù)程序。主程序主要完成對(duì)SJA1000的初始化。SJA1000的初始化是通過(guò)在復(fù)位期間對(duì)模式寄存器MOD（CAN地址為0，濾波和復(fù)位等方式選擇）、時(shí)鐘分配寄存器CDR（CAN地址為31H，選擇PeliCAN模式及時(shí)鐘輸出頻率）、濾波碼寄存器ACR0～ACR3（復(fù)位模式CAN地址為16H～18H，初始化時(shí)寫(xiě)入ID標(biāo)識(shí)符）、驗(yàn)收屏蔽寄存器AMR0～AMR3（復(fù)位模式CAN地址為20H～23H，初始化時(shí)設(shè)置是否屏蔽ACR相應(yīng)位）、總線定時(shí)寄存器BTR0（CAN地址為06H，設(shè)置波特率和同步跳轉(zhuǎn)寬度）和BTR1（CAN地址為07H，定義每個(gè)位周期長(zhǎng)度、采樣位置和每個(gè)采樣點(diǎn)的采樣數(shù)目）、輸出控制寄存器OCR（CAN地址為08H，選擇正常輸出控制模式）等寫(xiě)入控制字來(lái)確定其工作方式的。INT1中斷請(qǐng)求是由PC機(jī)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入雙口RAM后再寫(xiě)雙口RAM片內(nèi)地址為7FFH單元觸發(fā)的。在INT12中斷服務(wù)程序中，首先讀取雙口RAM中的數(shù)據(jù)，然后再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給CAN控制器SJA1000，具體參見(jiàn)流程圖6。INT0中斷請(qǐng)求是由SJA1000發(fā)送或接收完1幀信息或接收數(shù)據(jù)超載或產(chǎn)生錯(cuò)誤中斷后產(chǎn)生的。INT0中斷服務(wù)程序流程如圖7所示。

3、 控制單元設(shè)計(jì)

控制單元的任務(wù)就是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集并從CAN總線上接收上位機(jī)的命令。根據(jù)上位機(jī)的要求，對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制或?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)通過(guò)CAN總線傳給上位機(jī)。現(xiàn)以溫室控制單元為例說(shuō)明控制單元設(shè)計(jì)方法。溫室控制單元的結(jié)構(gòu)原理如圖8所示。以AT89C52為核心，采用2片8255擴(kuò)展I/O端口，其中2個(gè)PA口和1個(gè)PB口用來(lái)檢測(cè)天窗、遮陽(yáng)傘、補(bǔ)光燈、通風(fēng)機(jī)等21路開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)。由于8255的PC口的各位通過(guò)置復(fù)位控制字可以單獨(dú)置位或復(fù)位，AT89C52的P1口可以按位尋址，所以用8255的2個(gè)PC口和AP89C52的P1口來(lái)控制繼電器的吸合。3片8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度、pH值、CO2濃度、光照強(qiáng)度、液位等20路模擬量的數(shù)據(jù)采集。

控制單元的控制軟件采用匯編語(yǔ)言編程，主要包括初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、I/O接口控制等功能。初始化包括對(duì)8255和SJA1000的初始化，使8255的PA、PB口作為輸入口，PC口各位通過(guò)置復(fù)位控制字可以單獨(dú)置位或復(fù)位，從而開(kāi)啟或停止一個(gè)繼電器的動(dòng)作。數(shù)據(jù)采集采用查詢方式工作，每一路模擬量連續(xù)采集3次，中值濾波后作為該傳感器的數(shù)據(jù)存入相應(yīng)的內(nèi)部RAM中，全部數(shù)據(jù)采集完后再檢測(cè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)并存入相應(yīng)RAM中。隨后開(kāi)CPU中斷，進(jìn)入數(shù)據(jù)循環(huán)采集狀態(tài)，等待CAN通信中斷的產(chǎn)生。本系統(tǒng)采用中斷方式實(shí)現(xiàn)AT89C52與SJA1000之間的通信。

需要說(shuō)明的是，CAN2.0A或CAN 2.0B協(xié)議只是一個(gè)低層的規(guī)范，用戶還需要定制簡(jiǎn)單的應(yīng)用層協(xié)議。應(yīng)用層協(xié)議的任務(wù)一方面是將要發(fā)送的數(shù)據(jù)分類(lèi)、拆卸、合并，確定發(fā)送對(duì)象，再根據(jù)CAN的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議規(guī)范填寫(xiě)CAN的各個(gè)信息幀；另一方面是根據(jù)應(yīng)用層協(xié)議解釋接收數(shù)據(jù)的具體含義，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。

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