采用8051系列單片機實現(xiàn)分布式靜力測量系統(tǒng)的設(shè)計

本文介紹了一種基于單片機AT89C52的CAN總線分布式測控系統(tǒng)，主要闡述了系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，以及控制模塊和采集模塊的軟硬件設(shè)計，重點是系統(tǒng)中以單片機為核心的帶有CAN總線接口的設(shè)計，解決現(xiàn)場各傳感器得到的測量信號利用單片機進行存儲和處理，然后通過與CAN控制器的通訊將信息發(fā)送到CAN總線上。

1、 CAN總線網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點

用通訊數(shù)據(jù)塊編碼，可實現(xiàn)多主工作方式，數(shù)據(jù)收發(fā)方式靈活，可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等多種傳輸方式；可將DCS結(jié)構(gòu)中主機的常規(guī)測試與控制功能分散到各個智能節(jié)點，節(jié)點控制器把采集到的數(shù)據(jù)通過CAN適配器發(fā)送到總線，或者向總線申請數(shù)據(jù)，主機便從原來繁重的底層設(shè)備監(jiān)控任務(wù)中解放出來，進行更高層次的控制和管理功能，比如故障診斷、優(yōu)化協(xié)調(diào)等；

采用非破壞性基于優(yōu)先權(quán)的總線仲裁技術(shù)，具有暫時錯誤和永久性故障節(jié)點的判別及故障節(jié)點的自動脫離功能，使系統(tǒng)其它節(jié)點的通信不受影響；同時，CAN具有出錯幀自動重發(fā)功能，可靠性高；

信號傳輸用短幀結(jié)構(gòu)（8字節(jié)），實時性好；

不關(guān)閉總線即可任意掛接或拆除節(jié)點，增強了系統(tǒng)的靈活性和可擴展性；

采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，使各設(shè)備之間具有較好的互操作性和互換性，系統(tǒng)的通用性好；

通訊介質(zhì)可采用雙絞線，無特殊要求；現(xiàn)場布線和安裝簡單，易于維護，經(jīng)濟性好。

總之，CAN總線具有實時性強、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、互操作性好、價格低廉等優(yōu)點，克服了傳統(tǒng)的工業(yè)總線的缺陷，是構(gòu)建分布式測控系統(tǒng)的一種有效的解決方案。

2、系統(tǒng)總體硬件設(shè)計方案

首先，定義各節(jié)點的功能，確定各節(jié)點檢測或控制量的數(shù)目、類型、信號特征。這是進行微機測控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的第一步。原則是盡量避免重復(fù)測試。智能節(jié)點模塊絕大部分是輸入輸出模塊，調(diào)節(jié)回路可以跨模塊構(gòu)成回路。但考慮到調(diào)節(jié)回路的安全性，為了保證在上位機或整個通信線路出現(xiàn)重大故障時回路調(diào)節(jié)不受到影響，設(shè)計了隔離型、自整定PID、隔離型溫度調(diào)節(jié)器等帶有調(diào)節(jié)功能的模塊。它們的輸入輸出通道都在同一模塊中，其底層軟件的功能很強，所有的輸入處理、輸出增量的計算（多種調(diào)節(jié)算法可通過組態(tài)選擇，包括串級調(diào)節(jié)）、輸出，包括自整定模塊的過程參數(shù)的自動識別都在本模塊實現(xiàn)，保證了調(diào)節(jié)回路的安全性、可靠性。

其次，選擇各節(jié)點控制器和相應(yīng)的CAN適配元件。由于各測控節(jié)點功能相對單一，數(shù)據(jù)量少，因此對CPU的要求大大降低，采用8051系列單片機即可滿足要求。CAN 總線適配器件主要有：控制器接口、總線收發(fā)器和I/O器件。采用Philips公司生產(chǎn)的82C200CAN控制器和與其配套的82C250CAN收發(fā)器。82C200具有完成高性能通信協(xié)議所要求的全部必要特性。具有簡單總線連接的82C200可完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能。

最后，按照CAN總線物理層協(xié)議選擇總線介質(zhì)，設(shè)計布線方案，連接成CAN總線分布式測控網(wǎng)絡(luò)。如圖1所示。

3、系統(tǒng)的硬件組成

（1）CAN總線接口模塊

① 微處理器

目前廣泛流行的CAN總線器件有兩大類：一類是獨立的CAN控制器，如82C200，SJA1000及Intel 82526/82527等；另一類是帶有芯片CAN的微控制器，如P8XC582及16位微控制器87C196CA/CB等。根據(jù)當(dāng)前市場、開發(fā)工具和課題的實際需要，系統(tǒng)的智能節(jié)點均選用ATMEL 8位單片機AT89C52為微處理器。

② CAN控制器

CAN控制器選用SJA1000作為控制器。SJA1000是高集成度CAN控制器。具有多主結(jié)構(gòu)、總線訪問優(yōu)先權(quán)、成組與廣播報文功能及硬件濾波功能。輸入時鐘頻率為16MHh時鐘，輸出可編程控制。由以下幾部分構(gòu)成：接口管理邏輯、發(fā)送緩存器、接收緩存器、位流處理器、位定時邏輯、收發(fā)邏輯、錯誤管理邏輯、控制器接口邏輯等。

SJA1000有很多新功能 ：標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和擴展結(jié)構(gòu)報文的接受和發(fā)送；64字節(jié)的接收FIFO；標(biāo)準(zhǔn)和擴展幀格式都具有單／雙接收濾波器；可進行讀／寫訪問的錯誤計數(shù)器；可編織的錯誤報警限制：最近一次的錯誤代碼寄存器；每一個CAN總線錯誤都可以產(chǎn)生錯誤中斷；具有丟失仲裁定位功能的丟失仲裁中斷；單發(fā)方式（當(dāng)發(fā)主錯誤或丟失仲裁時不重發(fā)）；只聽方式（監(jiān)聽CAN總線，無應(yīng)答，無錯誤標(biāo)志）；支持熱插拔（無干擾軟件驅(qū)動位速率監(jiān)測）。因此，系統(tǒng)的智能節(jié)點均選用SJA1000作為CAN控制器。

③ CAN總線收發(fā)器

CAN總線收發(fā)器選用PCA82C250作為總線收發(fā)器。 PCA82C250是CAN 協(xié)議控制器和物理總線之間的接口。82C250 可以為總線提供不同的發(fā)送性能，為CAN 控制器提供不同的接收性能。而且它與“ISO 11898”標(biāo)準(zhǔn)完全兼容。PCA82C250的目的是為了增大通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護總線，降低射頻干擾（RFI）實現(xiàn)熱防護等。為了進一步提高抗干擾措施，在兩個CAN器件之間使用了由高速隔離器件6N137構(gòu)成的隔離電路。 CAN器件與微處理器的硬件連接如圖2所示。

硬件電路的設(shè)計并不太困難，但有幾點應(yīng)引起注意：

總線兩端兩個120Ω的電阻，對于匹配總線阻擾，起著相當(dāng)重要的作用。忽略掉它們，會使數(shù)據(jù)通信的抗干擾性及可靠性大大降低，甚至無法通信。

82C50第8腳與地之間的電阻Rs稱為斜率電阻，它的取值決定了系統(tǒng)處于高速工作方式還是斜率控制方式。把該引腳直接與地相連，系統(tǒng)將處于高速工作方式，在這種方式下，為避免射頻干擾，建議使用屏蔽電纜作總線；而在波特率較低、總線較短時，一般采用斜率控制方式，上升及下降的斜率取決于民的阻值，實驗數(shù)據(jù)表明15“200kΩ為Rs較理想的取值范圍，在該方式下，可以使用平行線或雙絞線作總線。

SJA1000的TX1腳懸空，RX1引腳的電位必須維持在約0.5Vcc上，否則，將不能形成CAN協(xié)議所要求的電平邏輯。如果系統(tǒng)傳輸距離近，環(huán)境干擾小，可以不用電流隔離，這樣可直接把82C250的VREF端（約為0.5 Vcc）與RX1腳相連，從而簡化了電路。

在系統(tǒng)中，SJA1000的片選信號一般由地址總線經(jīng)譯碼獲得，并由此決定出CAN控制器各寄存器的地址。實際應(yīng)用中，采用單片機AT89C52的P2.7為片選信號。所以，SJA1000的地址為：7F00”7F32H。

當(dāng)上電復(fù)位時，AT89C52的上電復(fù)位，需要從低到高的電平變化來激活，而SJA1000的17腳RST被激活，需要出現(xiàn)一個由高電平到低電平的跳變，因此，這必須加一個反相器。

（2）數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊用來將各類傳感器的數(shù)據(jù)傳送到CAN總線上。整個電路包括：看門狗X5045，單片機89C52，鎖存器74LS373，A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809以及CAN控制器SJA1000和收發(fā)器82C250。電路板如圖3。

數(shù)據(jù)采集模塊的工作原理：各類傳感器采集到數(shù)據(jù)后將0—5V的模擬量傳送到ADC0809，0809將轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量傳給89C52，最后單片機將采集到的數(shù)據(jù)送到SJA1000通過CAN總線收發(fā)器82C250傳上總線，完成數(shù)據(jù)采集工作。

（3）控制模塊

是一個帶有CAN通信功能的隔離型控制器。該模塊有一個數(shù)據(jù)輸入點，可以是命令或其他信號，有一個模擬量輸出，供輸出執(zhí)行機構(gòu)是連續(xù)變化的控制系統(tǒng)使用，例如控制步進電機；還有一路是數(shù)字量輸出，供執(zhí)行機構(gòu)是兩位式的控制系統(tǒng)使用，例如開關(guān)設(shè)備。這個控制器可以單獨作為一個調(diào)節(jié)器使用，因為在該模塊上提供了完整的顯示窗口和操作按鈕，可以設(shè)定溫度設(shè)定值、PID調(diào)節(jié)參數(shù)等運行過程中可以顯示被控對象的PV值和SV值。

該模塊可以根據(jù)設(shè)定的控制點及升、降的時間實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。帶有CAN通信口，可以與微機實現(xiàn)通信，也就是說控制模塊可以接入CAN 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通過上位機實現(xiàn)對多個節(jié)點上的控制模塊設(shè)定各控制點的上下限控制點、PID值、實現(xiàn)時間等控制參數(shù)，并實時記錄各控制器的測量值，描繪出變化曲線，供實驗人員對實驗結(jié)果進行分析。如圖4所示。

4、系統(tǒng)軟件設(shè)計

（1）CAN 總線通訊模塊

CAN總線測控系統(tǒng)的通信軟件分為3部分：CAN初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收。

① CAN初始化

其主要是設(shè)置CAN的通信參數(shù)。需要初始化的寄存器有：模式寄存器（Peli CAN模式）、時分寄存器、接收代碼寄存器、屏蔽寄存器、總線定時寄存器、輸出控制寄存器等。需要注意的是，這些寄存器僅能在復(fù)位期間可寫訪向，因此，在對這些寄存器初始化前，必須確保系統(tǒng)進入了復(fù)位狀態(tài)，并且系統(tǒng)中各CAN控制器的總線定時寄存器的初始化字必須相同。

② 數(shù)據(jù)發(fā)送

現(xiàn)場的各傳感器把環(huán)境多參數(shù)的檢測信號（數(shù)字量、模擬量、開關(guān)量）進行轉(zhuǎn)換處理后，發(fā)向CAN控制器的發(fā)送緩沖區(qū)，然后啟動CAN控制器的發(fā)送命令，此時CAN控制器將自動向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，不再需傳感器的微控制器進行干預(yù)。若系統(tǒng)中有多個傳感CAN控制器同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，則CAN控制器通過信息幀中的標(biāo)識符來進行仲裁，標(biāo)識符數(shù)值最小的CAN控制器具有對總線的優(yōu)先使用權(quán)。

③ 數(shù)據(jù)接收

整個溫室微機測控系統(tǒng)中的CAN控制器檢測到總線上有數(shù)據(jù)時會自動接收總線上的數(shù)據(jù)，存入其接收緩沖區(qū)，并向89C52微控制器發(fā)送接收中斷，啟動中斷接收服務(wù)程序，89C52通過執(zhí)行中斷接收服務(wù)程序，從CAN控制器的接收緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，并對其進行進一步處理工作。

（2）監(jiān)控模塊

集成了所有的數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等功能。同時，為了實現(xiàn)操作人員對生產(chǎn)過程的人工干預(yù)，如修改給定值、控制參數(shù)和報警限等，添加了參數(shù)的修改功能；為了建立人機信息聯(lián)系，并且能將各節(jié)點傳輸來的數(shù)據(jù)以圖形、圖表或其它動態(tài)方式顯示出來，本系統(tǒng)可以使用任何具有DDE（Dynamic Data Exchange）接口的MMI（Man-Machine interface）軟件；為了更好的管理各種數(shù)據(jù)，采取了組態(tài)控制方式，能夠接收來自MMI軟件以及用戶軟件的DDE連接請求，并將該請求傳遞給通信驅(qū)動部分，由通信驅(qū)動轉(zhuǎn)換為通信信號通過傳輸媒體傳遞給智能模塊的固化軟件。并將模塊的應(yīng)答作為DDE操作的結(jié)果返回給MMI軟件及用戶軟件。

5、 結(jié)論

將先進的現(xiàn)場總線技術(shù)（CAN BUS）應(yīng)用于智能測控系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性；自主開發(fā)了符合國際標(biāo)準(zhǔn)的基于單片機的智能節(jié)點，不僅大量節(jié)約了資金，而且可以購置通用的同類設(shè)備，可節(jié)約大量的研發(fā)費用；基于工控機的上位機提供了良好的人機界面，使操作更加方便，直觀。

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