分析仪器CAN网络通信设计 - 全文

 

　　基于单片机(80C196)或微处理器(DSP、ARM 等)的多组分气体分析仪采用功能强大的CPU，可实时快速测定各种燃烧设备的各项热工参数。根据测量数据，通过自动调节装置调整风量，保持适当的空气/燃料比，使燃料系统达到最佳运行状态，以获得最高的燃烧效率和最低的燃料消耗。仪器还可以测定CO、SO2、NO、NO2、烟气黑度等参数，并配有液晶屏、键盘等外设。

　　CAN(CONtroll Area Network)是国际上应用最广泛的现场总线之一，使用了一种串行多控制方通信协议，可以有效地支持分布式实时控制，并且具有很高的安全性和高达1Mbps的通信速率。

　　一个包含PC 机和n-1(n≤110)个智能节点的CAN 总线网络结构图如图1 所示。

　　

 

　　图1 n 个节点的CAN 网络结构图

　　信息的传输采用CAN 通信协议，传输介质采用双绞线，如果需要进一步提高系统的抗干扰能力，还可以在控制器和传输介质之间加接光电隔离，电源采用DC-DC 变换器等措施。

　　1 分析仪器CAN 网络应用层协议的制定

　　CAN 的国际标准中只定义了物理层和数据链路层的规范，由于本项目构建的CAN 总线网络节点数目不多，所有节点都由项目组自行设计，不需要与国际标准设备进行接口，所以，这里根据本项目的具体情况，制定了一个简易的CAN 应用层协议。

　　根据厂方要求，网络初步规划应至少可容纳16 个节点。上位机收集各分析仪器的信息，包括气体组分分析含量、出错信息和被测气体的一些参数，如温度、压力、流量等，也返回一些控制信息给智能节点。在每个分析周期从节点的气体组分分析结果送往主节点，主节点待收到所有待测组分含量后，将所有信息一并送往上位机。网络中的任一台分析仪器均可做为主节点或从节点，甚至在没有上位机的情况下也可以做为上位机。

　　在CAN 系统中，以11 位(标准帧)或29 位(扩展帧)的标识符来标识数据的含义，标识符决定了信息的优先权和等待时间，同时也影响信息滤波的适用性。因而，合理、高效的信息标识符ID 分配方案是充分发挥CAN 总线性能的前提条件。

　　分析仪器主控制器之一F2812 DSP 片上共有32 个邮箱，在SCC 模式下0-15 邮箱可用，在eCAN 模式下，32 个邮箱全部可用，可以很方便地实现主节点对从节点信息的接收和存储。故推荐采用主控制器为F2812 的分析仪器作为该网络中的主节点，选择eCAN 模式，使用标准标识符(11 位)，对其进行如表1 所示的静态分配策略，即可满足上位机和主节点识别帧来源和帧意义的要求。

　　2 网络通信程序

　　2.1 上位机端初始化

　　上位机端主要完成对各分析平台分析结果的采集、显示，使用PC 机加CAN 通讯卡KPCI-8110。KPCI-8110 上集成了独立的CAN 控制器SJA1000。SJA1000 用于移动目标和一般工业环境中的区域网络控制(CAN)，在使用前要先对其进行初始化。

　　上位机显示界面采用适合快速开发的可视化面向对象高级语言VB 来编写。KPCI-8110CAN 适配卡提供.dll 驱动和.lib 库函数，通过在VB 程序中调用相关的驱动函数就可以实现CAN 适配卡的配置和数据的读写。

　　上位机端接收数据的流程如图2 所示。

　　

 

　　图2 上位机接口函数使用流程图

　　数据接收到上位机之后保存在一个大容量的内存缓冲池内，用户只需实时通过函数CAN_ReadDataNum(mindex) 查询缓冲池内的数据量， 再通过函数CAN_ReadBlockData(mindex,num,obyte)及时读走保存即可。其中obyte 为接收数据起始指针。

　　CAN_ClearBlock(mindex,num,obyte)为清空从obyte 指针开始的缓冲池空间。

　　注意：由于SJA1000 CAN 控制器每个地址存储8 位数据，而F2812 内置CAN 控制器每个地址存储16 位数据，而且标准数据帧的标识符也不是从字节的起始位开始的，所以定义标识符的时候要按照不同控制器的要求来定义。例如F2812 内置CAN 控制器定义数据帧标识符为344 0000(bit28-bit18 为标识符位)，SJA1000 独立控制器对应的标识符应为1A20(bit15-bit5 为标识符位)。

　　2.2 分析仪器CAN 网络通信程序设计

　　智能节点分析仪器端的编程采用 C 语言与汇编语言相结合的方式，采用结构化程序设计方案，可读可移植性好。流程如图3 和4 所示。

　　

 

　　图3 分析仪器主节点程序流程图

　　主节点在接收到从节点传送过来的数据后，在接收成功引起的中断处理程序中对数据进行处理，然后转存到主节点的发送邮箱中，等待发送给上位机。在进行数据处理的时候要把接收邮箱中的数据赋给中间变量，处理完后再把中间变量的值赋给发送邮箱，这个过程中要注意借助指针来完成。如下所示：

　　Mailbox = &ECanaMboxes.MBOX0 + n; // n 为邮箱号

　　receiveboxl = Mailbox->MDRL.all;

　　receiveboxh = Mailbox->MDRH.all;

　　

 

　　图4 分析仪器从节点程序流程图

　　3 实验结果及分析

　　使用 KPCI-8110 的测试程序向分析仪器周期发送一帧数据时，查看测试程序和分析仪器存储器可以看出，分析仪器端正确地接收到PC 发送来的数据，CAN 网络运行良好。图5为自己开发的接收界面试验状态下成功接收到数据，分析仪器网络分析周期为20s，发送速率为100Kbps。

　　

 

　　图5 上位机接收界面

　　在对节点和上位机的通信进行试验的时候发现，在单独使用eCAN 模块发送和接收数据时，通信情况良好，发送和接收的帧数相同。

　　需要注意的是，在运行DSP 多组分气体分析平台的整个软件程序时，在较短时间内要以较大速率发送大批量数据，故将A/D 采样之后的数据滤波和处理部分放在主程序中执行，尽可能减少A/D 中断服务子程序的处理时间，这样就可以减少对CAN 发送中断程序的影响。

　　经实验证明，以上分析和判断是正确的，网络通信状况良好，无丢帧现象。

　　4 总结

　　该网络通信系统在试验中得到了良好的效果，满足了多组分分析仪器的设计要求。