引言
現(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)，標(biāo)志著工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域又一個(gè)新時(shí)代的開始，并對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生了重要的影響?？刂破骶钟蚓W(wǎng)CAN(Controller Aera Network)屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有極高的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性的特點(diǎn)，是一種有效支持集散控制系統(tǒng)和實(shí)時(shí)控制的多主串行總線。
1. 基于CAN總線的集散控制系統(tǒng)
圖1 基于CAN總線的集散控制系統(tǒng)
基于CAN總線的集散控制系統(tǒng)如圖1所示，采用現(xiàn)場(chǎng)總線式控制系統(tǒng)FCS(Fieldbus Control System)結(jié)構(gòu)，由上位機(jī)、CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)、CAN智能節(jié)點(diǎn)組成。上位機(jī)主要完成在線系統(tǒng)監(jiān)控，上位機(jī)通過(guò)CAN適配卡與CAN總線相連;CAN智能節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)采集及計(jì)算、節(jié)點(diǎn)設(shè)定、節(jié)點(diǎn)控制、運(yùn)行顯示等。上位機(jī)和智能節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)CAN現(xiàn)場(chǎng)總線交換各種數(shù)據(jù)和管理控制信息。
2. CAN的性能特點(diǎn)
CAN為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，通訊方式靈活，且無(wú)需站地址等節(jié)點(diǎn)信息。
CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級(jí)，可滿足不同的實(shí)時(shí)要求，高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)最多可在134μs內(nèi)得到傳輸。
CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)的退出發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)較高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間。
CAN只需要通過(guò)報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無(wú)需專門的“調(diào)度”。
CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km(速率5kbps以下);通信速率最高可達(dá)1Mbps(此時(shí)通信距離最長(zhǎng)為40m)。
CAN上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá)110個(gè)，報(bào)文標(biāo)識(shí)符可達(dá)2032種(CAN2.0A)，而擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)(CAN2.0B)的報(bào)文標(biāo)識(shí)符幾乎不受限制。
CAN采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，具有極好的檢錯(cuò)效果。
CAN的每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低。
CAN通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。
CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。
3. CAN智能節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
目前常用的CAN器件分為兩大類，一類是獨(dú)立的CAN控制器，如Philips的PCA82C250、SJA1000等，另一類是帶有CAN功能的微控制器，如PIC的DSPIC6014、TI的TMS320F2812、Motorola的MC9S12DT128等等。本文采用Intel的 87C196KD微處理器和PHILIP的 SJA1000 CAN控制器完成CAN總線智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。
圖2 CAN智能節(jié)點(diǎn)硬件電路
CAN智能節(jié)點(diǎn)硬件電路如圖2所示。電路主要由五部分組成：微控制器87C196KD、獨(dú)立CAN控制器SJA1000、CAN總線收發(fā)器82C250、高速光電耦合器6N137、復(fù)位電路。
微控制器87C196KD是CAN智能節(jié)點(diǎn)的核心部分，87C196KD具有32K字節(jié)的ROM和1000字節(jié)的RAM，可用高級(jí)語(yǔ)言編程。 87C196KD主要完成節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集及計(jì)算、節(jié)點(diǎn)設(shè)定、節(jié)點(diǎn)控制、運(yùn)行顯示等功能，并與CAN控制器SJA1000之間發(fā)送、接收數(shù)據(jù)。
SJA1000芯片是一種應(yīng)用廣泛、性能優(yōu)異的CAN總線控制器。SJA1000負(fù)責(zé)完成CAN總線通信協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能。它有 Basicmode和Pelimode兩種工作模式，與 Basicmode模式相比，Pelimode工作模式支持?jǐn)U展幀，報(bào)文標(biāo)識(shí)符可達(dá)29位，提供了更加強(qiáng)大的功能。為減少每幀非數(shù)據(jù)字符的數(shù)量，提高信息交換速度，在實(shí)際應(yīng)用中宜采用Basicmode模式。在Basicmode模式下，SJA1000對(duì)于微處理器來(lái)說(shuō)相當(dāng)于一個(gè)存儲(chǔ)器映像外圍設(shè)備，它的可尋址域由控制段和接收、發(fā)送緩沖器組成。SJA1000的AD0～AD7連接到 87C196KD的P3口(數(shù)據(jù)總線)，采用并口連接方式，數(shù)據(jù)讀寫速度快。87C196KD 地址總線的P4.6、P4.7通過(guò)譯碼器與SJA1000 的片選信號(hào)CS相連，SJA1000的RD、WR、ALE分別與87C196KD的RD、WR、ALE相連, SJA1000的INT經(jīng)過(guò)非門與 87C196KD的EXINT相連, 微控制器也可以通過(guò)中斷的方式訪問(wèn)CAN控制器。
82C250是CAN控制器與物理總線之間的接口。82C250的CANL和CANH與CAN總線相連，若82C250處于CAN總線的網(wǎng)絡(luò)終端，CANL和CANH之間需加一個(gè)匹配電阻，用于消除反射信號(hào)的干擾。RS用于選擇三種不同的工作方式：高速、斜率控制和待機(jī)，RS串接一個(gè)電阻后再接地，用于控制上升和下降斜率，減小射頻干擾。
為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)抗干擾能力，在CAN控制器SJA1000和CAN總線收發(fā)器82C250之間加接高速光電耦合器6N137，并采用DC-DC變換器隔離電源，這樣就很好的實(shí)現(xiàn)了總線上各個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)之間的 器隔離。
復(fù)位電路由看門狗MAX706和手動(dòng)復(fù)位按扭組成。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，MAX706自動(dòng)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)給87C196KD和SJA1000復(fù)位，若想重新啟動(dòng)程序，可用手動(dòng)復(fù)位按扭復(fù)位。
