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)識和重視。監(jiān)控系統(tǒng)的演變，是一個從集中監(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各個重要設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，并通過操作盤來進(jìn)行集中式操作。而計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是以監(jiān)測控制計算機(jī)為主體，加上檢測裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與被監(jiān)測控制的對象（生產(chǎn)過程）共同構(gòu)成的整體。在該系統(tǒng)中，計算機(jī)實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的檢測、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)行實時檢測、監(jiān)督管理和自動控制。本文主要設(shè)計了 CAN 總線測控系統(tǒng)中的 DSP 下位機(jī)現(xiàn)場測控裝置及通信軟件。

    2  測控節(jié)點的總體設(shè)計

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

　　圖 1　 節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖

    網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，可以采用單獨的微控制器、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。因為 TMS320LF2407 具有較高的 運行速度和數(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）的簡稱，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)了的，并終成為國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO118?8）。是國際上應(yīng)用廣泛的現(xiàn)場總線之一。 在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計算機(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)議專為大型貨車和重工機(jī)械車輛設(shè)計的J1939協(xié)議。近年來，其所具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到重視，被廣泛應(yīng)用于汽車計算機(jī)控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)和振動大的工業(yè)環(huán)境

    TMS320LF2407 與物理總線之間通過 CAN 總線收發(fā)接口電路來連接。從 CAN2.0 協(xié)議 的特征可知，一條總線上節(jié)點數(shù)可以無限多，但要受到總線驅(qū)動能力限制，考慮這一點，設(shè)計中采用收發(fā)驅(qū)動芯片方案。本文選用 Philips 公司的 CAN 總線驅(qū)動器 82C250.CAN 總線驅(qū)動器提供了 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。它初是為汽車中的高速應(yīng)用（達(dá)1Mbps）而設(shè)計的。器件可以提供對總線的差動發(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 CAN 控制器和物理總線間的接口， 對總線提供差動發(fā)送能力，對 CAN 控制器提供差動接收能力。因為 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 高速光電隔離器件 6N137 芯片，實現(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)點的總線驅(qū)動能力。

    4  軟件設(shè)計

　　圖 3 從節(jié)點主程序流程圖

    節(jié)點的軟件設(shè)計主要包括四大部分：CAN 現(xiàn)場智能測控裝置初始化、報文查詢發(fā)送及中斷接收、用戶 A/D、D/A 轉(zhuǎn)換子程序即協(xié)議實現(xiàn)程序。其主程序的實現(xiàn)流程如圖 3 所示。 本測控裝置的節(jié)點通信軟件采用的語言是 DSP 的 C 語言嵌入?yún)R編語言，因為在用 C 語言開發(fā) DSP 應(yīng)用程序時，可能會遇到一些對實時性要求較高或是需要對 DSP 的底層資源進(jìn)行操作的場合。這時如果用  C 語言編寫相應(yīng)的代碼就會給開發(fā)帶來一定的難度，甚至某些操作 C 語言根本就無法實現(xiàn)。這時，就需要在 C 語言中嵌入?yún)R編語言。

    4.1  節(jié)點的通信初始化流程

    CAN 現(xiàn)場測控裝置節(jié)點的初始化主要包括：系統(tǒng)初始化、CAN 初始。系統(tǒng)初始化包括開中斷優(yōu)先級、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、位定時器的初始化

    在對位定時器（BCR1  和  BCR2）進(jìn)行初始化時，首先注意要對 CAN 模塊主控制寄存器 MCR 中的 CCR（改變配置請求位）置 1,并對全局狀態(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。因為此時 CAN 控制器處于脫離 CAN 總線狀態(tài)，因此當(dāng)配置完位定時器后，將 CCR 位清零，使 CAN 控制器恢復(fù)總線。CAN 控制器波特率的計算方法如下：

    波特率=ICLK/ [（BRP+l）+Bit Time]

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

    位時間（Bit Time）=（TSEGl+1）+（TSEG2+1） +1

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

    2、CAN 初始化。對 CAN 控制器的訪問是以外部存儲器的方式。

    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 命令信息專用郵箱，用于接收上位機(jī)發(fā)來的控制命令。郵箱 0 用來接收上位機(jī)發(fā)來的節(jié)點參數(shù)，節(jié)點可根據(jù)這些參數(shù)來重新配置節(jié)點的信息。將郵箱3配置為發(fā)送郵箱，這個郵箱用于節(jié)點給上位機(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完成的，所以 DSP 在發(fā)送數(shù)據(jù)時只需把要發(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 即可啟動發(fā)送命令，當(dāng) CAN 控制器將數(shù)據(jù)成功發(fā)送后會將發(fā)送控制寄存器中的發(fā)送成功 標(biāo)志位置 1,通過判斷這一位是否為 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，一個郵箱發(fā)送完成即啟動另一個郵箱。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，為此我們在發(fā)送數(shù)據(jù)時，將采樣的結(jié)果通過移位后將多個采樣結(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，先將要接收的信息的標(biāo)識符與相應(yīng)的接收郵箱的標(biāo)識符進(jìn)行比較，只有標(biāo)識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接收信息，即如果只有被屏蔽的那幾位標(biāo)識符不相符，則接收郵箱仍可接收此信息。當(dāng)接收屏蔽使能位為 0 時，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)場測控裝置的中斷服務(wù)程序，包括接收數(shù)據(jù)中斷并保存接收到的數(shù)據(jù)，同時處理相應(yīng)的錯誤中斷。當(dāng)主節(jié)點（PC 機(jī)）向從節(jié)點（現(xiàn)場測控裝置）發(fā)送請求數(shù)據(jù)命令時，從節(jié)點即產(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，然后 CPU 讀出接收緩沖區(qū)的內(nèi)容，恢復(fù)現(xiàn)場、中斷返回后調(diào)協(xié)議分析程序。

    4.2.3  協(xié)議實現(xiàn)程序

    中斷服務(wù)程序結(jié)束后，讀出節(jié)點  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)點發(fā)送數(shù)據(jù)。其協(xié)議實現(xiàn)程序框圖如圖 5 所示。

　　圖 5　 節(jié)點協(xié)議實現(xiàn)框圖

    4.2.4  用戶子程序設(shè)計

    對從節(jié)點子程序的設(shè)計，主程序通過調(diào)用子程序即可完成，這樣減少了程序重復(fù)編寫。 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)換是采用定時中斷的方式，這里用定時器 3.

    本文作者創(chuàng)新點：

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