1 引言 can（control area network）即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，它最初是由德國的bosch公司為汽車監(jiān)測、控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。由于其高性能、高可靠性及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，越來越受到人們的重視。目前，can總線是唯一已成為國際標(biāo)準(zhǔn)的，被公認(rèn)為是幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。 can具有下列主要特性: （1） 多主站依據(jù)優(yōu)先權(quán)進(jìn)行總線訪問; （2） 無破壞性的基于優(yōu)先權(quán)的仲裁; （3） 借助接收濾波的多地址傳送; （4） 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請求; （5） 配置靈活性; （6） 全系統(tǒng)數(shù)據(jù)兼容性; （7） 錯(cuò)誤檢測和出錯(cuò)信息; （8） 若丟失仲裁或由于出錯(cuò)而遭破壞的幀可自動(dòng)重發(fā)送; （9） 暫時(shí)錯(cuò)誤和永久性故障節(jié)點(diǎn)的判別以及故障節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)脫離。 考慮到can總線具有的這些優(yōu)點(diǎn)，我們設(shè)計(jì)了基于can總線的雙容水箱水位控制系統(tǒng)。 2、系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 雙容水箱試驗(yàn)臺(tái)由雙容水箱、變頻器、水位傳感器、交流電機(jī)、水泵和配電盤構(gòu)成。其中水位傳感器的作用是測量被控水箱的水位，水泵用來給供水水箱抽水。系統(tǒng)控制的目的就是使被控水箱的水位保持在給定值高度，當(dāng)外加擾動(dòng)或改變對(duì)象特性，能使水位恢復(fù)在給定值高度。 本系統(tǒng)是將普通的變送器、執(zhí)行器和pc機(jī)改造成為具有can接口的智能節(jié)點(diǎn)，然后將它們通過總線有機(jī)的聯(lián)系在一起所形成的完整的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 如圖1所示。 [align=center] 圖1 雙容水箱控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖[/align] 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎每偩€式結(jié)構(gòu)，可以分為兩層:現(xiàn)場控制層和過程監(jiān)控層。 2.1 現(xiàn)場控制層 現(xiàn)場控制層為系統(tǒng)的底層，由帶有can接口的變送器或執(zhí)行器構(gòu)成，它們之間通過can總線進(jìn)行通信，完成全部的控制工作。它的基本工作過程如下所述:變送器將被調(diào)量的值變換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，該信號(hào)在can接口內(nèi)完成a/d轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波等處理，然后將變換所得的數(shù)字信號(hào)通過總線傳送到相應(yīng)的can接口。在該節(jié)點(diǎn)內(nèi)將信號(hào)接收后，根據(jù)所選擇的控制算法（pid或模糊控制）進(jìn)行運(yùn)算，之后將運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行d/a變換，再將模擬信號(hào)通過放大處理去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器。這樣整個(gè)控制系統(tǒng)就可以按照一定的控制規(guī)律構(gòu)成一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。 2.2 過程監(jiān)控層 過程監(jiān)控層是現(xiàn)場控制層的上一層，接收由該層傳輸上來的所需的生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)，以及向該層發(fā)送操作命令，以便運(yùn)行人員對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控。過程監(jiān)控層的上面可與以太網(wǎng)相連，以便管理層可以直接快速的獲得來自生產(chǎn)一線的數(shù)據(jù)，這也充分的體現(xiàn)了現(xiàn)場總線全數(shù)字化的優(yōu)點(diǎn)。 過程監(jiān)控層主要由兩部分構(gòu)成:can適配器和上位機(jī)。其中can適配器一端和總線相連, 完成和can總線的通信;另一端和上位機(jī)連接, 完成和上位機(jī)的通信。它的主要功能是將上位機(jī)的操作信號(hào)和控制參數(shù)傳送給指定的can網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn), 同時(shí), 將節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)做進(jìn)一步處理。本系統(tǒng)通過rs232串行口和上位機(jī)交換數(shù)據(jù)。這種方法雖然傳輸速度低, 但結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、價(jià)格低廉。 3、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 由系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖（圖1）可見，系統(tǒng)硬件主要包括3個(gè)can智能站:can通信適配器（#3 can智能站）、智能傳感器節(jié)點(diǎn)（#1 can智能站）和智能執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)（#2 can智能站）。各個(gè)智能站的設(shè)計(jì)相似，下面以智能傳感器節(jié)點(diǎn)為例進(jìn)行介紹。其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。 [align=center] 圖2 智能傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)圖[/align] 這里要重點(diǎn)介紹的是can通信電路。這部分電路主要由can的協(xié)議芯片sja1000、can的收發(fā)芯片82c250和光電隔離電路構(gòu)成。 （1） can控制器 can控制器是can通信的核心芯片，主要功能是實(shí)現(xiàn)can總線協(xié)議和與微處理器接口。本文的can控制器采用philips的sja1000，它是一個(gè)獨(dú)立的can控制器，支持can2.0b協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)can總線物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能。sja1000有兩種工作模式可以選擇，basiccan 模式和pelican模式。本次設(shè)計(jì)中采用pelican模式，它在basiccan 模式的基礎(chǔ)有如下的擴(kuò)展:可讀/寫訪問的錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器，可編程的錯(cuò)誤報(bào)警限制，最近一次錯(cuò)誤代碼寄存器，對(duì)每一個(gè)can 總線錯(cuò)誤的中斷，支持熱插拔，具有只聽模式，可單次發(fā)送等。這些增加的功能對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化和錯(cuò)誤診斷非常重要。 （2） can收發(fā)器 can收發(fā)器采用pca82c250，它是can控制器和物理總線的接口，可以提高總線驅(qū)動(dòng)干擾能力，增加通信抗干擾能力，并可保護(hù)sja1000免遭破壞。它可以支持多達(dá)110個(gè)節(jié)點(diǎn)，并能在1mbps的傳輸速率下工作于惡劣的工作條件下。82c250提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送能力和對(duì)can控制器的差動(dòng)接收能力，其差分接收器共模抑制比寬，抗電磁干擾能力強(qiáng)。它內(nèi)部有總線保護(hù)電路和限流電路，并具有低電流待機(jī)工作方式和降低射頻干擾的斜率控制。 （3） 光電耦合器 光電耦合器是為了將網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)內(nèi)部隔離起來，以提高其抗干擾性能。can通信部分的硬件電路圖如圖3所示。 [align=center] 圖3 can通信電路原理圖[/align] 4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 基于can總線的測控系統(tǒng)的軟件分為下位機(jī)部分和上位機(jī)部分，下位機(jī)軟件完成采集、控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，主要包括以下幾個(gè)模塊:通用can通信模塊、控制算法模塊、rs232通信模塊、數(shù)據(jù)采集和輸出模塊、自檢和故障處理模塊。上位機(jī)軟件主要是完成監(jiān)控畫面的組態(tài)和與適配卡的通信。 軟件的編寫根據(jù)不同的情況采用不同的語言。單片機(jī)部分采用c51語言編寫，使用keil c51集成開發(fā)環(huán)境。組態(tài)軟件采用“組態(tài)王6.5”，它是目前比較流行的一種用于建立工控對(duì)象人機(jī)接口的智能軟件包，支持microsoft windows95/98/nt中文操作系統(tǒng)，可以很方便的開發(fā)出功能完善、界面友好的組態(tài)軟件。上位機(jī)的通信和調(diào)度軟件采用高級(jí)語言visual basic 6.0編寫，它支持面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)，有豐富的控件資源，可以大量節(jié)約開發(fā)的時(shí)間。 下面詳細(xì)介紹can通信模塊和上位機(jī)通信程序的設(shè)計(jì)。 4.1 通用can通信模塊的設(shè)計(jì) 通用can通信模塊的功能是完成can控制器的初始化設(shè)置;控制各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換;檢測各個(gè)節(jié)點(diǎn)和總線的狀態(tài);進(jìn)行故障處理。其程序流程圖如圖4所示。 [align=center] 圖4 通信模塊主程序流程圖[/align] 1） can控制器的初始化設(shè)置 can控制器的初始化主要是完成sja1000的初始化設(shè)置，是設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)，也是一個(gè)難點(diǎn)。sja1000在系統(tǒng)上電、硬件復(fù)位或主控制器發(fā)出復(fù)位命令后需進(jìn)行初始化，以設(shè)定它的工作模式、通信速率、輸出控制方式、標(biāo)識(shí)符和屏蔽格式等重要參數(shù)。 （2） 數(shù)據(jù)發(fā)送、接收子模塊 數(shù)據(jù)發(fā)送、接收子模塊主要是控制各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，數(shù)據(jù)從can控制器sja1000發(fā)送到can總線是由can控制器自動(dòng)完成的。 ·發(fā)送程序只需把包裝好的數(shù)據(jù)送到can的發(fā)送緩沖區(qū)，然后啟動(dòng)發(fā)送命令即可。發(fā)送程序可采用查詢方式或中斷方式。由于查詢方式比較簡單，這里不作介紹。而對(duì)于中斷方式，發(fā)送程序分為兩部分:一是主程序，二是中斷服務(wù)程序。主程序主要用于控制信息的發(fā)送及當(dāng)發(fā)送緩沖區(qū)滿時(shí)，把要發(fā)送的信息暫存到臨時(shí)存儲(chǔ)區(qū);中斷發(fā)送程序負(fù)責(zé)把臨時(shí)存儲(chǔ)區(qū)中的暫存信息發(fā)送出去。信息從can總線到can接收緩沖區(qū)是由can控制器自動(dòng)完成的。 ·接收程序只需從接收緩沖區(qū)讀取要接收的信息即可。接收程序也可采用查詢方式或中斷方式，兩者的繁簡程度相當(dāng)。 4.2 上位機(jī)通信程序的設(shè)計(jì) 上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)主要包括兩部分內(nèi)容:監(jiān)控界面軟件的設(shè)計(jì)和與適配器通信軟件的設(shè)計(jì)。監(jiān)控界面采用“組態(tài)王”軟件包，對(duì)于不同的系統(tǒng)應(yīng)用再進(jìn)行二次開發(fā)，通信程序采用vb編寫。上位機(jī)的通信程序相當(dāng)于一個(gè)接口轉(zhuǎn)換程序，一面和適配器的rs232口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;另一面和組態(tài)王進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，如圖5所示。 [align=center] 圖5 上位機(jī)通信程序功能示意圖[/align] vb和適配卡的通信是通過rs232協(xié)議完成的，應(yīng)用vb的通信控件mscomm可以很方便的實(shí)現(xiàn)。vb和組態(tài)王的通信是動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換（dde）實(shí)現(xiàn)的。 5 結(jié)束語 現(xiàn)場總線由于具有數(shù)字式串行網(wǎng)絡(luò)的高可靠性，又是一種低成本的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，因此倍受人們青睞，已被廣泛應(yīng)用到各種測量、控制系統(tǒng)中。can總線是現(xiàn)場總線技術(shù)中發(fā)展較快的一種現(xiàn)場總線，與其他總線相比，總線的數(shù)據(jù)通訊具有獨(dú)特的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性等技術(shù)特點(diǎn)，是有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，且易于用戶進(jìn)行二次開發(fā)工作，因此，越來越受到各工業(yè)廠家的重視并成為公認(rèn)的最有發(fā)展前途的現(xiàn)場總線之一。 本文介紹的基于can總線雙容水箱水位控制系統(tǒng)已經(jīng)在武漢大學(xué)動(dòng)機(jī)學(xué)院系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室得到了成功的應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，控制實(shí)時(shí)性良好。 參考文獻(xiàn) [1] 鄔寬明. can總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[m]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1996. [2] 馬忠梅等. 單片機(jī)的c語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[m]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003． [3] data sheet sja1000[z]. philips semiconductors．