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論基于CAN總線與以太網(wǎng)互聯(lián)的實(shí)時(shí)溫度和濕度監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)
CAN(Controller area network)即控制器局域網(wǎng)，是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。起先CAN-bus被設(shè)計(jì)作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊，在車載的各電子控制裝置(ECU)之間交換信息形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。作為一種技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、功能完善、成本合理的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通訊控制方式，CAN-bus已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。
從高速的網(wǎng)絡(luò)到低價(jià)位的多路接線都可以使用CAN-bus。例如，在自動(dòng)控制、智能大廈、電力系統(tǒng)、安防監(jiān)控等各領(lǐng)域，CAN-bus都具有不可比擬的優(yōu)越性。工業(yè)控制系統(tǒng)的分布化、智能化、信息化發(fā)展，要求企業(yè)從現(xiàn)場(chǎng)控制層到管理層實(shí)現(xiàn)全面無縫信息集成。工業(yè)以太網(wǎng)滿足這一要求，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，成為控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要方向，為全分散智能控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制提供了可能[1]。本文作者主要介紹基于CAN總線與以太網(wǎng)互聯(lián)的實(shí)時(shí)溫度、濕度監(jiān)控系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化和智能化。
1系統(tǒng)介紹
1.1 CAN總線與互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)的發(fā)展?fàn)顩rCAN總線是一種有效支持分布式控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，是德國(guó)BOSCH公司從20世紀(jì)80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而設(shè)計(jì)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，歷經(jīng)技術(shù)規(guī)范2.0A和2.0B后已形成CAN國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(ISO11898)
。CAN遵循OSI模型，按照OSI基準(zhǔn)模型，CAN機(jī)構(gòu)分為2層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。按照IEEE802.2和802.3標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)鏈路層又劃分為邏輯鏈路控制層(LLC)和媒體訪問控制層(MAC);物理層又劃分為物理信令層(PLS)、物理媒體附屬裝置層(PMA)和媒體相關(guān)接口層(MDI)。由于CAN具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，使得它在工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。
目前，基于CAN總線獲得廣泛應(yīng)用的應(yīng)用層協(xié)議有DeviceNet和CANOpen等。CAN具有以下主要特點(diǎn)[2]：(1)CAN為多主工作方式，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)送信息，而不分主從;
(2)在報(bào)文標(biāo)識(shí)符上，CAN上的節(jié)點(diǎn)分成不同的優(yōu)先級(jí)，可滿足不同的實(shí)時(shí)要求;
(3)CAN采用非破壞總線仲裁技術(shù)。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息出現(xiàn)沖突時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級(jí)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;(4)CAN節(jié)點(diǎn)只需通過對(duì)報(bào)文標(biāo)識(shí)符濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一對(duì)多點(diǎn)及全局廣播幾種方式傳送接收數(shù)據(jù);(5)CAN報(bào)文采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低;
(6)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。
現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)以太網(wǎng)的結(jié)合使得企業(yè)的管理可以深入到測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)，在這種互聯(lián)方式下，由以太網(wǎng)構(gòu)建信息網(wǎng)，通過兩者的有機(jī)聯(lián)接，從而構(gòu)成一個(gè)中型/大型的遠(yuǎn)程監(jiān)控/數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)[3]。
1.2系統(tǒng)架構(gòu)系統(tǒng)由溫度、濕度測(cè)控器、CAN以太網(wǎng)通信轉(zhuǎn)換器、服務(wù)器和客戶端組成，如圖1所示。
溫度、濕度測(cè)控器主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)溫度、濕度數(shù)據(jù)的采集、處理、控制、顯示、報(bào)警以及通過CAN總線與通信轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
CAN、以太網(wǎng)通信轉(zhuǎn)換器主要負(fù)責(zé)CAN總線數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，并將CAN的數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)發(fā)送到服務(wù)器上。
服務(wù)器負(fù)責(zé)監(jiān)控結(jié)果數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和報(bào)表的存儲(chǔ)，同時(shí)，向客戶端提供訪問服務(wù)。
客戶端通過瀏覽器上因特網(wǎng)訪問服務(wù)器上的數(shù)據(jù)并進(jìn)行通信和控制。
2硬件設(shè)計(jì)溫度、濕度測(cè)控器主要分為數(shù)據(jù)采集、控制和CAN總線通訊3部分
溫度、濕度測(cè)控器的溫度、濕度傳感器采用瑞士圖2溫度、濕度測(cè)控器的硬件框圖Fig.2 Structure of temperature and humidity controllerSENSIRION公司的SHT10，傳感器包括1個(gè)電容式聚合體測(cè)濕元件和1個(gè)能隙式測(cè)溫元件，并與1個(gè)14位A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路在同一芯片上實(shí)現(xiàn)無縫連接。SHT10具有超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
每個(gè)SHT10傳感器都在極精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。兩線制串行接口和內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。溫度、濕度測(cè)控器的MCU采用微芯公司的PIC18F2580，它是整個(gè)溫度、濕度測(cè)控器的運(yùn)算控制單元，它采用16位的RISC指令系統(tǒng)、哈佛總線結(jié)構(gòu)、兩級(jí)流水線取指等技術(shù)，具有32 KB快閃存內(nèi)存、4 KB的RAM、片內(nèi)看門狗、內(nèi)部EEPROM、CAN控制器等豐富的片內(nèi)資源，抗抗干擾性能強(qiáng)，功耗低，速度高[4]。PIC18F2580主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集與控制，并與通信轉(zhuǎn)換層適配器進(jìn)行實(shí)時(shí)CAN總線數(shù)據(jù)的通信。
CAN與以太網(wǎng)通信轉(zhuǎn)換層硬件框圖如圖3所示，它的處理器采用NXP公司的ARM7TDMI-S核的單片機(jī)LPC2378，是一款支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU，處理器時(shí)鐘高達(dá)72MHz。片內(nèi)含有高達(dá)512 KB的片內(nèi)Flash和58 KB的片內(nèi)SRAM存儲(chǔ)器，具有強(qiáng)大的通信接口：10/100M以太網(wǎng)媒體訪問控制器(MAC)，2路CAN-bus接口。
增強(qiáng)型外設(shè)4個(gè)32位捕獲/比較定時(shí)器、1個(gè)帶有2 KB電池SRAM的低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘、看門狗定時(shí)器和1個(gè)片內(nèi)4 MHz的RC振蕩器。LPC2378的強(qiáng)大功能為CAN和以太網(wǎng)的通信轉(zhuǎn)換帶來了極大方便[5]。
3軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)的對(duì)象主要包括3部分：溫度、濕度測(cè)控器的檢測(cè)控制和CAN通信，CAN以太網(wǎng)通信轉(zhuǎn)換，B/S平臺(tái)。
3.1溫度、濕度測(cè)控器的軟件設(shè)計(jì)溫度、濕度測(cè)控器的軟件流程
它主要包括初始化子程序、CAN數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送程序、顯示程序、鍵盤掃描程序、控制程序。CAN數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高，故采用中斷方式進(jìn)行處理。微處理器PIC18F2580在程序開始首先要對(duì)CAN控制器模塊進(jìn)行初始化。主要通過測(cè)控器本身的地址標(biāo)識(shí)的讀取來對(duì)CAN控制器的過濾器和屏蔽器進(jìn)行配置。屏蔽器用于確定標(biāo)識(shí)符中的哪一位被過濾器檢查，這樣，一旦1條有效的信息被信息緩沖器MAB接收，信息的標(biāo)識(shí)符區(qū)域?qū)⑴c過濾器值相比較，若相匹配，則信息將被裝入接收緩沖器。微控制器收到CAN數(shù)據(jù)后，根據(jù)相應(yīng)命令進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作，如設(shè)置相應(yīng)報(bào)警溫度濕度、執(zhí)行相應(yīng)控制等，然后，做出相應(yīng)的應(yīng)答。
控制程序主要是通過串行接口對(duì)SHT10進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，并把讀取數(shù)據(jù)與設(shè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，運(yùn)用bang-bang控制通過驅(qū)動(dòng)電路控制中央空調(diào)，使得房間保持一定的溫度和濕度。3.2 CAN與以太網(wǎng)通信轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計(jì)3.2.1 LPC2378的CAN控制器與CAN總線間的數(shù)據(jù)傳輸LPC2378的CAN控制器帶有1個(gè)完整的發(fā)送和接收緩沖器串行接口，它是1個(gè)雙重接收緩沖器，有了這個(gè)雙重的接收緩沖器，芯片可以在對(duì)1個(gè)報(bào)文進(jìn)行處理時(shí)，可接收另一個(gè)報(bào)文，但它不含有驗(yàn)收濾波器。驗(yàn)收濾波器是獨(dú)立的器件，它對(duì)所有CAN通道進(jìn)行CAN標(biāo)識(shí)符過濾。
數(shù)據(jù)從CAN控制器發(fā)送到CAN總線由CAN控制器自動(dòng)完成。發(fā)送程序采用中斷方式，中斷方式發(fā)送程序分為發(fā)送主程序和中斷服務(wù)程序。主程序用于控制信息的發(fā)送，中斷服務(wù)程序負(fù)責(zé)發(fā)送臨時(shí)存儲(chǔ)區(qū)中的暫存信息。中斷流程圖見圖5。
μC/OS-Ⅱ是一個(gè)包含時(shí)間管理、任務(wù)調(diào)度等基本功能的小型、輕量級(jí)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的內(nèi)核，而且LPC2378是基于ARMTDMI的ARM的內(nèi)核，其內(nèi)核與存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)都很適合操作系統(tǒng)的運(yùn)行[6]。
以太網(wǎng)控制器采用uC/IP的協(xié)議棧，主要使用TCP/IP協(xié)議。TCP/IP是面向連接的協(xié)議，它在2個(gè)TCP之間創(chuàng)建1條虛連接，TCP在運(yùn)輸層使用流量控制和差錯(cuò)控制機(jī)制來保證數(shù)據(jù)的可靠性[7]。TCP提供全雙工服務(wù)，即數(shù)據(jù)可在同一時(shí)間雙向流動(dòng)�？刂破髯鳛榭蛻舳税l(fā)起連接。通過TCP/IP數(shù)據(jù)的收發(fā)中斷見圖6。
對(duì)于TCP數(shù)據(jù)包，LCP2378取出數(shù)據(jù)，并存入數(shù)據(jù)區(qū)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)分析后，通過CAN控制器發(fā)到CAN總線上，對(duì)于從CAN總線上接收的數(shù)據(jù)，同樣存入相應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū)，將數(shù)據(jù)按照TCP/IP進(jìn)行封裝發(fā)送。
圖6與以太網(wǎng)通信的中斷方式的數(shù)據(jù)收發(fā)Fig.6 Data exchange with Ethernet through Interruption4實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)研制成功后，與多個(gè)帶有32個(gè)節(jié)點(diǎn)CAN總線子網(wǎng)系統(tǒng)和以太網(wǎng)環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試。主要針對(duì)TCP/IP協(xié)議和CAN協(xié)議的數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)對(duì)其性能和穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證。圖7所示為使用ZLGCANTest工具監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)截圖。
圖7 CAN總線數(shù)據(jù)截圖Fig.7 CAN field bus screenshot整個(gè)系統(tǒng)正式投入運(yùn)行后，到目前為止已經(jīng)投入運(yùn)行半年時(shí)間，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或者由于總線沖突導(dǎo)致的節(jié)點(diǎn)自動(dòng)脫離總線的現(xiàn)象。
5結(jié)論
(1)所設(shè)計(jì)的基于CAN總線與以太網(wǎng)互聯(lián)的實(shí)時(shí)溫度、濕度監(jiān)控系統(tǒng)在某數(shù)據(jù)中心得到應(yīng)用，系統(tǒng)中采用的底層使用CAN總線通信，中間層使用以太網(wǎng)通信，上層通過服務(wù)器與因特網(wǎng)連接，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試和運(yùn)行，并與其他通信方式相比較，CAN總線通信方式穩(wěn)定性良好，可靠性高。
(2)由于原數(shù)據(jù)中心測(cè)控裝置分布較分散，房間數(shù)量多，導(dǎo)致房間溫度、濕度控制不穩(wěn)定甚至導(dǎo)致事故發(fā)生。采用該系統(tǒng)以后，不僅所有的房間溫度、濕度可以乾地遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，而且整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性大大提高。
(3)實(shí)踐證明，基于CAN總線與以太網(wǎng)互聯(lián)的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)是可行的，符合未來監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。另外，該系統(tǒng)也可以應(yīng)用于其他需要實(shí)時(shí)監(jiān)控的領(lǐng)域。
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