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　一、LabVIEW介紹

　　LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計算機語言的顯著區(qū)別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產生的程序是框圖的形式。 LabVIEW軟件是NI設計平臺的核心，也是開發(fā)測量或控制系統(tǒng)的理想選擇。 LabVIEW開發(fā)環(huán)境集成了工程師和科學家快速構建各種應用所需的所有工具，旨在幫助工程師和科學家解決問題、提高生產力和不斷創(chuàng)新。

　　LabVIEW應用領域

　　LABVIEW有很多優(yōu)點，尤其是在某些特殊領域其特點尤其突出。

　　測試測量：LABVIEW［5］ 最初就是為測試測量而設計的，因而測試測量也就是現(xiàn)在LABVIEW最廣泛的應用領域。經過多年的發(fā)展，LABVIEW在測試測量領域獲得了廣泛的承認。至今，大多數(shù)主流的測試儀器、數(shù)據采集設備都擁有專門的LabVIEW驅動程序，使用LabVIEW可以非常便捷的控制這些硬件設備。同時，用戶也可以十分方便地找到各種適用于測試測量領域的LabVIEW工具包。這些工具包幾乎覆蓋了用戶所需的所有功能，用戶在這些工具包的基礎上再開發(fā)程序就容易多了。有時甚至于只需簡單地調用幾個工具包中的函數(shù)，就可以組成一個完整的測試測量應用程序。

　　控制：控制與測試是兩個相關度非常高的領域，從測試領域起家的LabVIEW自然而然地首先拓展至控制領域。LabVIEW擁有專門用于控制領域的模塊----LabVIEWDSC。除此之外，工業(yè)控制領域常用的設備、數(shù)據線等通常也都帶有相應的LabVIEW驅動程序。使用LabVIEW可以非常方便的編制各種控制程序。

　　仿真：LabVIEW包含了多種多樣的數(shù)學運算函數(shù)，特別適合進行模擬、仿真、原型設計等工作。在設計機電設備之前，可以先在計算機上用LabVIEW搭建仿真原型，驗證設計的合理性，找到潛在的問題。在高等教育領域，有時如果使用LabVIEW進行軟件模擬，就可以達到同樣的效果，使學生不致失去實踐的機會。

　　兒童教育：由于圖形外觀漂亮且容易吸引兒童的注意力，同時圖形比文本更容易被兒童接受和理解，所以LabVIEW非常受少年兒童的歡迎。對于沒有任何計算機知識的兒童而言，可以把LabVIEW理解成是一種特殊的“積木”：把不同的原件搭在一起，就可以實現(xiàn)自己所需的功能。著名的可編程玩具“樂高積木”使用的就是LabVIEW編程語言。兒童經過短暫的指導就可以利用樂高積木提供的積木搭建成各種車輛模型、機器人等，再使用LabVIEW編寫控制其運動和行為的程序。除了應用于玩具，LabVIEW還有專門用于中小學生教學使用的版本。

　　快速開發(fā)：根據筆者參與的一些項目統(tǒng)計，完成一個功能類似的大型應用軟件，熟練的LabVIEW程序員所需的開發(fā)時間，大概只是熟練的C程序員所需時間的1/5左右。所以，如果項目開發(fā)時間緊張，應該優(yōu)先考慮使用LabVIEW，以縮短開發(fā)時間。

　　跨平臺：如果同一個程序需要運行于多個硬件設備之上，也可以優(yōu)先考慮使用LabVIEW。LabVIEW具有良好的平臺一致性。LabVIEW的代碼不需任何修改就可以運行在常見的三大臺式機操作系統(tǒng)上：Windows、Mac OS 及 Linux。除此之外，LabVIEW還支持各種實時操作系統(tǒng)和嵌入式設備，比如常見的PDA、FPGA以及運行VxWorks和PharLap系統(tǒng)的RT設備。

　　二、CAN總線簡介

　　CAN總線是德國BOSCH公司在80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據通信協(xié)議。它是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維，通信速率可達1MBPS。CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據的成幀處理，包括位填充、數(shù)據塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等各項工作。

　　由于其具有通信速度快、可靠性高和性能價格比好等突出優(yōu)點，它正越來越廣泛地應用于汽車、機械工業(yè)、紡織機械、農業(yè)用機械、機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療器械、家用電器及傳感器等領域［2］，并越來越受到工業(yè)界的重視，被公認為是最有前途的現(xiàn)場總線之一。

　　CAN總線優(yōu)勢

　　CAN屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。較之許多RS-485基于R線構建的分布式控制系統(tǒng)而言，基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)在以下方面具有明顯的優(yōu)越性：

　　1、網絡各節(jié)點之間的數(shù)據通信實時性強

　　CAN控制器工作于多種方式，網絡中的各節(jié)點都可根據總線訪問優(yōu)先權（取決于報文標識符）采用無損結構的逐位仲裁的方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據，且CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據進行編碼，這可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據，這些特點使得CAN總線構成的網絡各節(jié)點之間的數(shù)據通信實時性強，并且容易構成冗余結構，提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。而利用RS-485只能構成主從式結構系統(tǒng)，通信方式也只能以主站輪詢的方式進行，系統(tǒng)的實時性、可靠性較差。

　　2、開發(fā)周期短

　　CAN總線通過CAN收發(fā)器接口芯片82C250的兩個輸出端CANH和CANL與物理總線相連，而CANH端的狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài)，CANL端只能是低電平或懸浮狀態(tài)。這就保證不會在出現(xiàn)在RS-485網絡中的現(xiàn)象，即當系統(tǒng)有錯誤，出現(xiàn)多節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據時，導致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點的現(xiàn)象。而且CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響，從而保證不會出現(xiàn)像在網絡中，因個別節(jié)點出現(xiàn)問題，使得總線處于“死鎖”狀態(tài)。而且，CAN具有的完善的通信協(xié)議可由CAN控制器芯片及其接口芯片來實現(xiàn)，從而大大降低系統(tǒng)開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期，這些是僅有電氣協(xié)議的RS-485所無法比擬的。

　　3、已形成國際標準的現(xiàn)場總線

　　另外，與其它現(xiàn)場總線比較而言，CAN總線是具有通信速率高、容易實現(xiàn)、且性價比高等諸多特點的一種已形成國際標準的現(xiàn)場總線。這些也是CAN總線應用于眾多領域，具有強勁的市場競爭力的重要原因。

　　4、最有前途的現(xiàn)場總線之一

　　CAN 即控制器局域網絡，屬于工業(yè)現(xiàn)場總線的范疇。與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。由于其良好的性能及獨特的設計，CAN總線越來越受到人們的重視。

　　三、CAN總線通信系統(tǒng)的原理和方案

　　1.系統(tǒng)原理

　　CAN總線和總線上的各個CAN節(jié)點在具備完整的通信協(xié)

　　議下，一起構成了CAN網絡。本系統(tǒng)設計兩個CAN節(jié)點進行互相通信，其中采用瑞典Kvaser公司的KvaserLeafProfessional———CAN總線分析儀作為總線的一個節(jié)點，負責與上位機通信，同時檢測總線狀況，包括總線負載、信號幀的收發(fā)數(shù)量以及錯誤幀情況;另一個是基于52單片機自主開發(fā)的CAN節(jié)點，可以實現(xiàn)對模擬信號的采集并轉化為CAN信號。該CAN節(jié)點能夠處理CAN總線上的數(shù)據，能夠對CAN2.0（A/B）協(xié)議進行解析，并由硬件完成一些CAN基本功能，比如為接收到的CAN報

　　文提供一定大小的接收緩沖區(qū)、按照一定規(guī)則對接收到的數(shù)據完成ID濾波以及執(zhí)行CRC校驗等等。每個CAN節(jié)點包括以下三個部分［3］：①微控制器負責完成CAN控制器的初始化，進行與CAN控制器的數(shù)據傳遞，并按照預定的程序進行處理;②CAN控制器主要負責將數(shù)據以CAN報文的形式傳遞，并進行系統(tǒng)的診斷、測試以及處理CAN總線上的錯誤等;③CAN收發(fā)器是CAN控制器和CAN總線之間的接口，完成物理電平的轉換。

　　2.總體方案

　　較常見的CAN節(jié)點組成框圖如圖1所示。

　　圖1中方案1的一種經典配置就是“51系列微控制器+獨立的CAN控制器SJA1000+高速CAN收發(fā)器TJA1050”［4］。此方案的優(yōu)點在于靈活性，設計者可以選用性價比最高、最適合實際用途的51系列微控制器。缺點就是硬件電路相對復雜，同下面的方案2相比，需要設計微控制器和CAN控制器之間的連接電路。

　　方案2采用的是“內嵌CAN控制器的微控制器+高速CAN收發(fā)器TJA1050”［4］。其中，STM8A是ST公司一款性能出眾的帶片內CAN控制器的微控制器。此方案的優(yōu)點在于電路設計簡單，由于將CAN控制器集成在微控制器片內，這樣就減少了部分連接電路。此方案的缺點就是目前可供選擇的帶片內CAN控制器的微控制器相對較少，用戶選擇余地不大。

　　由于STM8A芯片有128個引腳，其內部的構造比51系列單片機復雜，同時也需要專用的編譯器和調試工具，而且價格昂貴，給編程者的開發(fā)增加了難度，因此本系統(tǒng)的一個節(jié)點采用第一種方案。

　　另外一個節(jié)點采用瑞典Kvaser公司的KvaserLeafProfession-al，它是超高性能的USB接口單通道CAN總線分析儀，支持CAN協(xié)議，其MagiSync技術是Kvaser的國際核心專利技術之一。它能夠把多個CAN總線分析儀連接到同一臺PC機上，并通過Kva-serMagiSync技術同步各個CAN總線分析儀的時間標簽，其靈活性特別適合多通道的應用項目。每個CAN消息均標有1μs精度的時間標簽（timestamp），每秒可以處理高達20000個幀。

　　系統(tǒng)軟件選擇了虛擬儀器軟件LabVIEW。通過設計，軟件實現(xiàn)的功能為：（1）能夠全程實時監(jiān)控每個節(jié)點在總線上的通信情況，并能完整記錄、歷史回放?？稍O置總線波特率和發(fā)送各種數(shù)據幀，包括遠程幀、標準幀、擴展幀和錯誤幀。（2）具有判定、報警及統(tǒng)計功能，可根據檢測錯誤計數(shù)器來界定“錯誤激活”、“錯誤認可”和“總線關閉”等三種故障。

　　四、硬件設計

　　本系統(tǒng)自主設計的CAN節(jié)點，采用89C52作為節(jié)點的微控制器。在CAN總線通信接口中，CAN通信的控制器采用SJA1000，CAN的收發(fā)器采用TJA1050。

　　圖2 CAN節(jié)點電路原理圖

　　圖2為CAN節(jié)點的硬件電路原理圖。從圖中可以看出，電路主要由五個部分所構成：微控制器89C52、獨立CAN通信控

　　制器SJA1000、CAN總線收發(fā)器TJA1050、顯示電路和控制電路。微控制器89C52負責SJA1000的初始化，通過控制SJA1000實現(xiàn)數(shù)據的接收和發(fā)送等通信任務。SJA1000的AD0～AD7連接到89C52的P0口，CS連接到89C52的P2.0。P2.0為0時，CPU片外存儲器地址可選中SJA1000，CPU通過這些地址可對SJA1000執(zhí)行相應的讀/寫操作。SJA1000的RD、WR、分別與89C52的對應引腳相連接，INT接89C52的INT0，89C52也可通過中斷方式訪問SJA1000。

　　TJA1050與CAN總線的接口部分采用了一定的安全和抗干擾措施。TJA1050的CAN-H和CAN-L引腳各自通過一個5Ψ的電阻與CAN總線相連，電阻可起到一定的限流作用，保護TJA1050免受過流的沖擊。CANH和CANL與地之間并聯(lián)了兩個30P的小電容，可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的能力。

　　顯示電路通過使用四個七段管，并使用74LS138和74LS373進行控制?？刂齐娐分饕伤膫€按鈕組成，分別對輸入信號、總線波特率、模式轉換和數(shù)據發(fā)送進行控制。

　　硬件電路設計的時候，需注意的地方有：

　　（1）SJA1000與AT89C52的復位電路是不同的，單片機的RST是高電平有效的，而SJA1000的RST是低電平有效的，而且不是用一個非門把單片機的RST反相就可以的［5］。有兩種解決方式：第一種是使用單片機的IO引腳來控制SJA的復位引腳，優(yōu)點是單片機完全控制SJA的復位過程;第二種是使用微處理器電源監(jiān)控芯片MAX708，它可以提供兩種復位信號，可以滿足需要。

　?。?）SJA1000的CLKOUT引腳可以提供時鐘輸出信號，但是如果該信號作為AT89C52的時鐘信號，則容易出現(xiàn)問題，建議分別使用晶振。

　?。?）CAN-H與CAN-L之間需接120歐姆電阻。

　?。?）電路板中使用兩個9針串口，為的是方便于構建一個CAN小網絡，并方便于接不同串口的CAN檢測儀。

　　五、 軟件設計

　　1. CAN節(jié)點的軟件部分設計

　　本節(jié)點的軟件編程主要包括單片機初始化、CAN控制器的初始化、CAN總線數(shù)據的發(fā)送和接收等幾個部分。初始化設置主要包括通信的波特率的設置、報文濾波器的設置和輸出模式的設置。主程序的流程圖如圖3所示

圖3 主程序流程圖

　?。?）數(shù)據發(fā)送 將待發(fā)送的數(shù)據打包成符合CAN協(xié)議的幀格式后，便可寫入SJA1000發(fā)送緩沖區(qū)，并自動發(fā)送。圖4為發(fā)送子程序流程圖。在寫發(fā)送緩沖區(qū)前必須查詢其狀態(tài)，數(shù)據只能寫入空閑的發(fā)送緩沖區(qū)。發(fā)送大量數(shù)據時，這一步顯得尤其重要，否則發(fā)送可靠性將不能保證啟動發(fā)送命令后，只能通過查詢或配置發(fā)送成功中斷判斷數(shù)據是否發(fā)送成功。發(fā)送程序分發(fā)送遠程幀和數(shù)據幀兩種，遠程幀無數(shù)據場。

　　圖4 發(fā)送子程序流程圖

　?。?）數(shù)據接收 接收數(shù)據可采用查詢方式或中斷方式。在某一段時間內，CAN總線并不是總是在活動，為了提高效率，可采用中斷方式在初始化程序中必須打開接收中斷。在中斷服務子程序中，判斷是否有接收中斷標志，有則讀取接收緩沖區(qū)數(shù)據。為了防止接收緩沖區(qū)數(shù)據溢出，可開辟一個循環(huán)接收數(shù)據隊列來暫時存儲數(shù)據，主程序則通過查詢該隊列來獲得總線數(shù)據。

　　2. 上位機程序設計

　　本系統(tǒng)的PC機端的軟件采用美國NI公司的圖形化編程語言LabVIEW平臺，該平臺是測控領域優(yōu)秀軟件，被譽為工程師的語言，可以加快產品開發(fā)速度。在該套測試系統(tǒng)中，采用順序結構，并使用瑞典Kvaser公司提供的僅適用于Kvaser硬件的多個子VI，利用這些子VI建立控制模塊，并通過一定的邏輯關系聯(lián)系起來，完成對硬件的驅動、測量參數(shù)設定以及數(shù)據的采集和保存。

　　前面板一共有三部分：第一部分是CAN總線系統(tǒng)的相關參數(shù)配置，如圖5所示，其中包括連接在PC機上的通道選擇;總線通道的類型（單一、擴展和虛擬通道）還包括總線的波特率以及總線狀態(tài)。第二部分為數(shù)據發(fā)送窗口，主要用于對所要發(fā)送的數(shù)據進行定義以及顯示總線是否有錯誤，如圖6所示，其中包括CAN數(shù)據幀的ID、數(shù)據長度控制字DLC、八個字節(jié)的數(shù)據以及幀類型的選擇：遠程幀、標準幀、擴展幀和錯誤幀。另外還可以顯示總線錯誤和錯誤源。該窗口負責總線上數(shù)據的傳輸，是整個程序中的核心部分。最后一部分是數(shù)據接收窗口，主要負責接收整個總線上的數(shù)據，當點擊“GoBuson”之后，就可以自動接收數(shù)據，同時可以檢測接收錯誤。如圖7所示，其中包括了對數(shù)據的接收時間（以系統(tǒng)初始化為0時開始計時）、數(shù)據幀的ID、數(shù)據長度控制字以及8個字節(jié)的數(shù)據，用戶可以通過此窗口檢測總線狀況。

　　圖5 總線參數(shù)配置窗口 圖6數(shù)據發(fā)送窗口

　　圖7 數(shù)據接收窗口

　　后面板的程序流程圖主要是由瑞典Kvaser公司提供的大約四十二個針對本公司產品的CAN子VI程序，其中包括四類：

　?。?）CAN總線參數(shù)設置子VI：這些VI主要用于對CAN通道進行參數(shù)設置，其中包括CAN總線的初始化、CAN協(xié)議版本的選擇、波特率以及總線的幀類型選擇等等，還包括了Kvaser分析儀在LabVIEW下運行的驅動程序。

　　（2）CAN總線數(shù)據寫入子VI：這些VI主要用于將CAN通道需要送出的數(shù)據打包成符合CAN協(xié)議的信息并發(fā)送到SJA1000的輸入緩存器。

　?。?）CAN總線數(shù)據讀出子VI：這些VI可以讀出CAN口緩存中的數(shù)據。其中還包括錯誤計數(shù)器、同步讀數(shù)據和定時器等。

　　（4）CAN總線關閉子VI：這些VI用于將打開的CAN口關閉。調用CAN子程序并按照CAN2.0的通信標準，利用G語言，完成通過LabVIEW軟件平臺進行收發(fā)數(shù)據，圖8為程序流程圖。

　　六、總結

　　本系統(tǒng)實現(xiàn)了將傳感器輸出的電壓信號轉化為CAN總線信號，并使用其中的一個字節(jié)表示其變化過程。將先進的現(xiàn)場總線技術（CANBUS）應用于智能的測量與通信系統(tǒng)，可以大大提高系統(tǒng)的可靠性。自主開發(fā)了符合國際標準的基于單片機的智能CAN節(jié)點，不僅大量節(jié)約了資金，而且可以根據不同的需要連接不同的傳感器，實現(xiàn)基于CAN總線的智能測量節(jié)點。基于LabVIEW的上位機提供了良好的人機界面，使操作更加方便、直觀。