ARM的CAN总线控制系统智能数据采集节点的设计

1、A R M 的C A N 总线控制系统智能数据采集节点的设计刘晓莉,高军,赵延明(湖南科技大学信息与电气工程学院,湖南湘潭411201摘要:提出了一种基于A R M 7微控制器LPC 2292的C A N 总线分布式控制系统智能数据采集节点的设计,给出了系统硬件框图,数据采集、C A N 通信初始化、数据发送和数据接收等部分的程序设计流程图,所设计节点实现方法简单,外扩器件少,结构合理,可靠性高,且节点扩展方便,已用于某工业现场,波特率为10K bps .图7,参8.关键词:C A N 总线;LPC 2292;A R M 7微控制器;数据采集节点;C A N 通信中图分类号:T P273+.5

2、文献标识码:A文章编号:1672-9102(200604-0079-04收稿日期:2006-08-31基金项目:国家自然科学基金项目(50274060作者简介:刘晓莉(1963-,女,湖南汉寿人,高级工程师,主要从事控制理论与控制工程的研究与开发.湖南科技大学学报(自然科学版Jour nal of H unan U ni ver si t y of S ci ence &Technol ogy (N at ur al S ci ence E di t i on第21卷第4期2006年12月V ol .21N o.4D ec.2006在工业现场,如何将采集到的数据及时安全地传送给数据监控

3、与处理系统是工业控制系统首要解决的一个实际问题.对于这一实际问题通常采用现场总线技术,控制器局域网(CA N1属于总线的范畴,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络1.CA N 总线与一般的通信总线相比,它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性.由于CA N 总线本身的特点,其应用范围目前已不再局限于汽车行业,而扩展到了机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械、家用电器及传感器等领域发展,CA N 总线已成为工业采集领域中首选的现场总线之一2.1总体设计思路1.1C A N 总线系统的组成模式CA N 总线技术的控制系统一般采用总线式网络拓扑结构,其组成模式如图

4、1所示.主要由监控站和若干智能测控节点构成.上位监控站选用工控PC 机,它是整个系统的中心,可实现强大的监控、管理功能.CA N 通信卡插在PC 机的I SA 总线扩展槽内,承担上位机和CA N 节点之间的数据转发任务3.1.2C A N 总线特点4(1CA N 采用多主方式工作,不分主从.(2CA N 采用非破坏总线仲裁技术,大大节省了总线冲突仲裁时间.尤其是在网络负载很重的情况下,也不会出现网络瘫痪情况.(3在速率5kbps 以下时,CA N 的直接通信距离最远可达10km ;在通信距离为40m 以下时,CA N 的通信速率最高可达1M bps;CA N 上的节点数主要取决于总线驱动电路,

5、目前可达110个.(4CA N 总线数据段长度最多为8个字节,因此可保证很短的传输时间,而且实时性强,受干扰的概率低,CA N 的每帧信息都有CR C 校验,具有极好的检错效果,能够满足工业领域中对一个工作点的控制命令或数据采集的要求.(5CA N 总线节点在严重错误的情况下,可自动切断与总线的联系,以使总线上的其他操作不受影响5.工控PC 机CA N 智能适配卡CA N 智能节点1CA N 智能节点2CA N 智能节点nCA N H CA N L图1C A N 总线系统结构框图Fi g.1C A N s ys t em s t r uct ur e di agr am1.3C A N总线数据

6、采集节点设计思想性价比高是CA N总线智能数据采集节点设计力求的设计目标,所以在选用作为核心器件的控制器时选用片内资源丰富的LPC2292,不仅可以满足一般的工业控制的需要,同时还可以减少系统硬件设计的复杂度.而CA N总线智能数据采集节点不仅仅局限于测控,根据现场需要还必须随时接收其他节点的远程请求和远程调度,接收或发送数据,所以其实时性、安全性、可靠性是设计的重要内容.在本设计中,上位机通过CA N总线适配卡可与多个CA N总线智能数据采集节点进行信息交换,负责对整个系统进行监控.CA N总线智能数据采集节点把采集到的现场信号,经过前端处理电路进行滤波和放大处理后,再经过A/D转换器,最后

7、变成数字信号;数字信号经CA N控制器处理后,再经过光电耦合,由CA N收发器经由总线与上位机进行CA N协议的数据交换,上位机对传感器检测到的现场信号进一步分析、处理或存储,完成系统的在线检测、计算机分析,处理完毕后,将数字量结果重新转换为相应的模拟量,用于驱动显示仪表、记录设备和反馈控制系统,去执行相应的操作.2CAN总线智能数据采集节点硬件设计2.1LP C2292的特点CA N总线智能数据采集节点采用LPC2292作为主控制器.LPC2292是Phi l i ps公司生产的基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位A R M7TD M I-S CPU的微控制器,并带16k字节的片内静态R

8、 A M及256k字节的内部高速Fl as h存储器.128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率60M H z下运行.LPC2292具有较小的144脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、8路10位A D C、2路CA N以及多达9个外部中断,可使用的G PI O高达76 (使用了外部存储器112个(单片应用6.LPC2292内部集成有2路CA N控制器:符合CA N规范CA N2.0B,I SO11898-1标准;总线数据波特率均可达1M bps;可访问32位的寄存器和R A M;全局验收过滤器可识别几乎所有总线的11位和29位R x标识符;验收过滤器为选择的标准标

9、识符提供了Ful l CA N-s t yl e自动接收功能.LPC2292内部还集成了8路10位逐次逼近式A/D转换器:测量范围为03.3V;10位转换时间2.44s;一路或多路输入的Bur st转换模式;可选择由输入引脚的跳变或定时器的匹配信号触发转换;具有掉电模式.2.2C A N总线数据采集节点的硬件结构CA N总线数据采集节点主要任务为数据采集与CA N通信,其硬件结构框图如图2所示.对于不同的工业现场,被采集的量有所不同,构成数据采集节点的数据采集部分的电路会有略微差异.在本设计中,数据采集节点可以采集8路模拟量及8路开关量.8路模拟量先经信号调理,转换为03.3V的直流电压,再由

10、11的隔离放大器送LPC2292的10位A D C.10位A D C的工作模式选择与数据转换操作由LPC2292的内部寄存器A D CR和A D D R的编程控制完成.8路开关量由LPC2292的8个G PI O进行输入.数据采集节点的另一项重要任务就是将采集到的数据及时安全地传送到数据监测系统.LPC2292内部集成了2路CA N控制器,硬件电路只需要在LPC2292的TD1(CA N1的发送器输出脚与R D1 (CA N1的接收器输入脚外接CA N总线驱动器即可.图2中TJA1050T是CA N总线驱动器,它是连接CA N控制器和物理总线之间的接口,提供了CA N控制器向总线的差动发送和差

11、动接收的能力.为了进一步提高CA N总线节点的抗干扰能力,保证各节点之间在电气上是完全隔离和独立的,LPC2292的TD1和R D1分别通过高速光耦6N137与TJA1050T的TX D 和R X D相连.光耦部分电路所采用的两个电源必须完全隔离,电源的完全隔离采用小功率电源隔离模块B0505S.为了提高网络节点的拓扑能力,CA N总线两端需要接有120的抑制反射的终端电阻,它对匹配总线阻抗起着非常重要的作用,如果忽略此电阻,会使数字通信的抗干扰性和可靠性大大降低,甚至无法8路开关量信号调理8路模拟量CA N总线图2C A N总线数据采集节点的硬件结构框图Fi g.2G at hert he

12、nodalhar dw ar e s t r uct ur e bl ock di agr am i n C A N busdat a通信.为了减小现场对节点的干扰,采用屏蔽双绞线.本设计中,LPC2292既作为主控制器,还作为CA N 网络的节点控制器,与网络中的其他节点实现数据传输,同时还作为模拟量及开关量的数据采集器.3软件设计 软件部分主要由数据采集程序和CA N 总线通信程序两部分组成.数据采集程序主要负责8路模拟量及8路开关量的数据采集.CA N 总线通信程序主要由初始化CA N 控制器函数I ni t CA N (、CA N 发送数据函数CA N SendD at a (、CA

13、N 接收数据函数R eadCA N D at a (及CA N 中断处理函数CA N I nt Pr g (组成7-8.3.1数据采集程序设计将LPC2292的P0.0P0.7引脚功能配置为G PI O ,方向为输入,用来输入8路开关量.开关量的状态通过读LPC2292内部寄存器I O 0PI N 获得.将LPC2292的P0.27P0.30,P2.30,P2.31,P3.28,P3.29引脚配置为A D C 的输入功能.采用循环方式对8路模拟量进行采集及转换.LPC2292的A D C 控制器做如下配置:转换时钟为1M H z;软件控制转换操作;正常工作模式.数据采集程序流程如图3所示. 3

14、.2C AN 总线通信程序设计CA N 总线通信软件主要包括初始化CA N 控制器函数I ni t CA N (、CA N 发送数据函数CA N SendD at a (、CA N 接收数据函数R eadCA N D at a (及CA N 中断处理函数CA N I nt Pr g (.初始化CA N 控制器函数I ni t CA N 主要用来实现CA N 工作时的参数设置,这些初始化的内容包括:硬件使能CA N 、设置CA N 报警界限、设置CA N 总线波特率、设置中断工作方式、设置CA N 验收过滤器的工作方式、设置CA N 控制器的工作模式等.CA N 控制器初始化流程如图4所示.将采

15、集到的数据经过打包成符合CA N 发送帧格式的数据后,可调用CA N 发送数据函数CA N SendD at a 进行数据的发送.在编写CA N 数据发送函数时有一点必须注意,因为在启动发送数据的命令后,CA N 控制器要将缓冲区内的数据发送完毕后,才会将该帧数据是否发送成功的状态返回.这样如果在函数里一直等待数据发送完毕,会使整个微处理器的性能下降,所以为了避免这种情况,该函数在启动发送后应立即返回,如果想要得到成功发送的事件,应配合发送中断或利用查询TCS 状态位的方法来处理.CA N 发送数据函数CA N SendD at a 的程序流程如图5所示.为了防止接收缓冲区数据溢出,可开辟一个

16、环形接收数据缓冲区来暂时存储数据,在CA N 接收数据函数R eadCA N D at a (中可以通过查询该环形缓冲区来图5C A N 发送数据函数C A N SendD at a(的程序流程图Fi g.5C A N s end dat a f unct i on C A N SendD at a(pr ocedur e f l ow char t图4C A N 控制器初始化流程图Fi g.4C A N cont r ol l eri ni t i al i zest he f l ow char t设置引脚连接设置A D C 工作模式启动A D 转换!开始图3数据采集程序流程图Fi g.3

17、T he pr ocedur e f l ow char ti n dat a获得总线数据.CA N 接收数据函数R eadCA N D at a (的程序流程如图6所示. 数据接收采用中断方式以提高效率.在初始化程序中必须使能接收中断.在中断服务子程序中,读取CA N I CR 控制器,判断是否有接收中断标志,有则读取接收缓冲区数据.CA N 中断处理函数CA N I nt Pr g(的程序流程如图7所示. 4结论以上设计目前正应用于一煤矿监控数据采集系统中,在井下设有8个CA N 总线智能数据采集节点,波特率为10K ,通信距离约为2km ,每个CA N 总线智能数据采集节点根据制定的协议

18、以大约200m s 的时间间隔发送采集到的数据,总线的负载远低于可允许的范围,整个系统具有较高的实时性和可靠性.本设计利用LPC2292和CA N 驱动器TJA 1050,实现了CA N 总线的网络节点设计.这种节点实现方法简单,外扩器件少,结构简单,节点扩展非常方便.现场各节点的信号利用LPC2292进行处理和存储,然后通过CA N 控制器的通讯将数据发送到CA N 总线上,完成与上位机的通讯,上位机可以对接收到的数据进行实时分析和评估,对现场各节点给予指示和命令.不但可以用在小型的集散控制系统中,还可以用于大型的集散控制系统、CA N 总线与R S232/485之间的转换及CA N 卡的设

19、计等.文中的程序和电路图均通过了调试,可以方便地移植到其他系统中.参考文献:1FA R SI M ,R A TCLI FF K ,BA R BO SA ,et al.O ver vi ew ofCont r olar eaN et wor kJ .C om put i ng and C ont rolE ngi neeri ng Journal ,1999,10(3:113-120.2高红玉.基于A R M 的CA N 总线智能节点的设计J .电子技术应用,2005,(4:24-26.G A O H ong-Y u.D es i gn ofI nt el l i gentN ode Bas e

20、d on A R M CA N BusJ .E l ect roni c T echnol ogy A ppl i cat i on,2005,(4:24-26.3蒋荣.基于CA N 总线技术智能节点的设计与研究J .电气技术与自动化,2006,35(1:139-141.JI A N G R ong.D esi gn and R esear ch ofI nt el l i gentN ode Based on CA N Bus Technol ogyJ.M echi neB ui l di ng&A ut om at i on,2006,35(1:139-141.4刘永木.CA N

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24、adl i neTechni quesC/R eal -Ti m e Sys t em s Sym pos i um 2000.Pr oceedl i ngs .The 21t h I EEE,2000.D esi gn f or Int el l i gentD at a C ol l ectN ode on C A N -B usC ont rolSyst em B ased on A R MLI U X i ao-l i ,G A O Jun,ZH A O Y an-m i ng(SchoolofI nf or m at i on and El ect r i calEngi neer

25、i ng,H unan U ni v.ofSci ence and Technol ogy,X i angt an 411201,Chi na A bs t ract :Cont r ol l er A r ea N et wor k (CA Ni s a ki nd ofs er i alcom m uni cat i on net wor k t hatsuppor t s t he di s t r i but edcont r oland t he r ealt i m e cont r ol ,and has char act er i s t i cs ofhi gh capabi l i t y and hi gh r el i abi l i t y.Putf or war d desi gn ofCA