采用CAN總線實(shí)現(xiàn)分布式遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理系統(tǒng)的設(shè)計

前 言

隨著計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，Internet網(wǎng)已成為信息交流的重要渠道，基于WebB/S（BroWser/Server）遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛。將這種技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場控制，用戶可在Internet接入的地方，實(shí)現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，是當(dāng)前倍受關(guān)注和研究熱點(diǎn)的真正意義上的工業(yè)控制遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。CAN bus是一種有效支持分布式控制和實(shí)時控制的優(yōu)秀工業(yè)控制現(xiàn)場總線，與其它通信總線相比，具有突出的可靠性、實(shí)時性和靈活性。由CAN總線組成的分布式控制系統(tǒng)與Internet網(wǎng)絡(luò)連接的嵌入式系統(tǒng)集成后的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可把工業(yè)控制現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息實(shí)時可靠地傳輸，實(shí)現(xiàn)工控現(xiàn)場與管理信息系統(tǒng)（MIS）的無縫連接。本系統(tǒng)針對通信用多逆變模塊電源系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控要求，通過CAN總線與底層多逆變電源模塊連接、通過Web服務(wù)器接入Internet的嵌入式系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了對底層工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

CAN總線與嵌入式操作系統(tǒng)

CAN（CoNtroller Area Net）總線

CAN總線是一種多主總線，通信速率可達(dá)1Mb/s。CAN總線的通信接口集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級判別等通信數(shù)據(jù)的成幀處理。CAN bus協(xié)議廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，采用了對通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼的方式，這種方法可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個數(shù)在理論上不受限制。數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識碼由11位或29位二進(jìn)制數(shù)組成，即可定義211或229個不同的數(shù)據(jù)塊。這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，可以使不同的節(jié)點(diǎn)同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。因?yàn)镃AN bus采用短幀格式通信，每幀最多有8個字節(jié)數(shù)據(jù)，可滿足工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時，8個字節(jié)不會占用總線時間過長，保證了通信系統(tǒng)的實(shí)時性要求。同時CAN bus協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并提供相應(yīng)的錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。CAN總線的上述特點(diǎn)非常適合工業(yè)現(xiàn)場過程監(jiān)控設(shè)備的互連。

CAN總線采用多主競爭方式工作和非破壞性總線仲裁技術(shù)，總線上任意節(jié)點(diǎn)可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息而不分主次，各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通信。當(dāng)多個節(jié)點(diǎn)同時向總線發(fā)信息時，優(yōu)先級較低的節(jié)點(diǎn)會主動退出發(fā)送，而優(yōu)先級較高的節(jié)點(diǎn)不受影響。大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下，也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況。因此，適用于分布式監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊。

嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)（Embedded Operation System簡稱EOS）是嵌入式技術(shù)或嵌入式系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。嵌入式系統(tǒng)（Embedded System）是對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。簡單的嵌入式系統(tǒng)并不使用操作系統(tǒng)，只包含一些控制流程。但當(dāng)功能復(fù)雜化以后（如圖像用戶界面和網(wǎng)絡(luò)支持等），簡單的流程控制不能滿足系統(tǒng)的要求，這時就必須考慮采用操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)軟件。嵌入式操作系統(tǒng)uclinux是在Linux2. 0版本的基礎(chǔ)上裁減掉存儲器管理單元（Memory Management Unit簡稱MMU）得到的。此外，為了將系統(tǒng)設(shè)置成為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，需另外移植并調(diào)試通過支持公共網(wǎng)關(guān)接口（CG I：Common Gateway Interface）的HTTP服務(wù)器軟件BOA。

系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)簡介

針對通信用多逆變模塊電源系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控要求，在嵌入式核心板的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了CAN總線接口，整個系統(tǒng)稱為嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)（uCremM）。它基于Motorola公司的ColdFire5272CPU，2M FLASHMEMORY、32M DRAM以及UART、ETHERNET網(wǎng)卡等外圍設(shè)備接口，CAN總線控制芯片采用英飛凌的82C900，SPI接口支持CAN2. 0B。

監(jiān)控系統(tǒng)板利用RS232串口線和雙絞線與宿主PC機(jī)相連，組成可以交叉編譯的開發(fā)環(huán)境。編譯語言為標(biāo)準(zhǔn)C，在宿主PC機(jī)上編譯uClinux內(nèi)核并下載到uCremM板上，由uCremMMOUNT上宿主機(jī)上的應(yīng)用程序開發(fā)目錄，就可以在PC機(jī)的L inux環(huán)境下進(jìn)行嵌入式應(yīng)用程序開發(fā)，最后重新編譯包括應(yīng)用程序的內(nèi)核并燒寫到uCremM上的FLASHMEMORY 就完成了監(jiān)控系統(tǒng)的軟件。 ［page］

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)流程

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)由嵌入式uCremm與現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)組成主從（Masterand Slave）關(guān)系，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)參考CAN總線通訊協(xié)議。

1）系統(tǒng)下層結(jié)構(gòu)流程。由主站按授權(quán)用戶要求向指定MCU系統(tǒng)發(fā)出查詢信息，實(shí)現(xiàn)對工控現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)查詢功能；各個CAN節(jié)點(diǎn)隨時監(jiān)聽總線，當(dāng)發(fā)現(xiàn)總線上有地址段與自己的地址相同的幀時，再判斷是遠(yuǎn)程幀還是數(shù)據(jù)幀：如果是遠(yuǎn)程幀，則由CANbus節(jié)點(diǎn)按既定協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)到總線上；否則節(jié)點(diǎn)開始接收CANbus上的數(shù)據(jù)幀。嵌入式uCremM與Internet的互聯(lián)以及與用戶的交互功能，則由其嵌入式操作系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器來完成。嵌入式uCremM上配有以太網(wǎng)接口RJ45，當(dāng)用網(wǎng)線把uCremM與Internet連接，并配置好IP地址且運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器后，授權(quán)用戶就可在INternet上任何一臺機(jī)器的瀏覽器中敲入IP地址，訪問存在嵌入式uCremM中的主頁了。

2）用戶與服務(wù)器的交互是通過CGI程序來完成的。簡單地講，CGI是一個運(yùn)行在Web服務(wù)器上的程序，由瀏覽器的輸入觸發(fā)。這個腳本通常是客戶端與服務(wù)器中其他程序如數(shù)據(jù)庫的橋梁。

用戶可以通過點(diǎn)擊頁面，查詢來自現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，如逆變模塊的電壓、電流和功率等；或者發(fā)送命令，如設(shè)置模塊最高直流輸入和交流輸出等數(shù)值。

CAN總線通訊協(xié)議及程序流程

目前有3種CAN通訊協(xié)議，包括CAN2. 0A，CAN2. 0B和CAN2. 0B passive，CAN2. 0B是最通用的CAN通訊協(xié)議。CAN的3種通訊協(xié)議間的區(qū)別就是協(xié)議中定義的標(biāo)識符的長度不同。CAN2. 0A協(xié)議中僅定義了具有11位標(biāo)識符的標(biāo)準(zhǔn)幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，CAN2. 0B協(xié)議中除了定義標(biāo)準(zhǔn)幀外還定義了具有29位標(biāo)識符的擴(kuò)展幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

本系統(tǒng)定義在CAN總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包為標(biāo)準(zhǔn)幀格式，它分為遠(yuǎn)程幀和數(shù)據(jù)幀兩種，區(qū)別遠(yuǎn)程發(fā)送請求位是否置位。標(biāo)準(zhǔn)幀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1標(biāo)準(zhǔn)幀格式

在設(shè)計中，本系統(tǒng)以嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)來完成對各個分布的逆變電源模塊的參數(shù)上傳和設(shè)置。當(dāng)CAN控制器發(fā)出要求逆變電源模塊上傳數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程幀時，系統(tǒng)定義了遠(yuǎn)程幀中的11位標(biāo)識符中高5位作為各模塊的模塊號標(biāo)識，同樣在各模塊的CAN控制器中的Msg ID 寄存器也作了相應(yīng)的設(shè)置。另外在幀格式中的遠(yuǎn)程發(fā)送請求位必須置“1”，DLC全置“0”，數(shù)據(jù)域無數(shù)據(jù)信息。遠(yuǎn)程幀舉例見表2。［page］

表2遠(yuǎn)程幀舉例

當(dāng)CAN控制器發(fā)出設(shè)置逆變模塊開關(guān)和模塊參數(shù)的數(shù)據(jù)幀時，定義中除了標(biāo)識符的設(shè)置外，遠(yuǎn)程發(fā)送請求位被置為“0”，DLC置“1000”表示一幀數(shù)據(jù)信息中的數(shù)據(jù)域有8個節(jié)字的數(shù)據(jù)要發(fā)送。CAN控制器發(fā)送設(shè)置（修改）逆變模塊參數(shù)的數(shù)據(jù)幀時，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表3所示。

表3模塊參數(shù)格式

在CAN控制器發(fā)送設(shè)置逆變模塊開關(guān)機(jī)的數(shù)據(jù)幀時，開關(guān)機(jī)信息由一位數(shù)據(jù)表示，緊跟命令編碼。當(dāng)數(shù)據(jù)值為0FH時，表示逆變模塊關(guān)機(jī)；當(dāng)數(shù)據(jù)值為01H時，表示逆變模塊開機(jī)。除了發(fā)送數(shù)據(jù)信息外，系統(tǒng)還要接收來自各個逆變模塊的告警信息幀和模塊參數(shù)數(shù)據(jù)幀信息，接收數(shù)據(jù)幀的格式仍然參考上例制定。主站程序流程圖如圖2所示。

圖2主站程序流程圖

［page］網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器配置及主頁設(shè)計

通過在嵌入式uCremm上的uClinux操作系統(tǒng)上移植HTTP服務(wù)器軟件BOA，并設(shè)置其配置文件（boa. conf），可以指定主頁和CGI程序所在路徑。這里CGI程序用C語言編寫，其實(shí)就是一些應(yīng)用程序，如CAN通訊數(shù)據(jù)等，只是它能由遠(yuǎn)程瀏覽器通過點(diǎn)擊主頁而激活，從而實(shí)現(xiàn)瀏覽器和服務(wù)器的交互功能。如圖3所示，用戶在遠(yuǎn)程瀏覽器中輸入嵌入式Webserver的IP地址后，需要登錄用戶名及密碼，當(dāng)?shù)玫椒?wù)器確認(rèn)后，進(jìn)入監(jiān)控界面。圖4為監(jiān)控系統(tǒng)登陸界面，圖5為系統(tǒng)主參數(shù)界面。

圖3瀏覽器和服務(wù)器的交互功能示意圖

圖4監(jiān)控系統(tǒng)登陸界面

圖5系統(tǒng)主參數(shù)界面

利用網(wǎng)頁來顯示監(jiān)控界面， 使監(jiān)控系統(tǒng)由傳統(tǒng)的C？S 模式（Clien t？Server） 轉(zhuǎn)變?yōu)楦冗M(jìn)的B？S 模式（B row ser？Server） ， 不僅節(jié)省了購買和開發(fā)監(jiān)控上位機(jī)軟件的費(fèi)用， 而且使之成為不受地域限制上的真正意義的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

總結(jié)

嵌入式系統(tǒng)具有可裁減、體積小和進(jìn)程及內(nèi)存管理、網(wǎng)絡(luò)支持等功能的獨(dú)特設(shè)計和極高的可靠性; 而CAN 總線具有多主站運(yùn)行和分散仲裁以及廣播通信的特點(diǎn)和可不分主次任意節(jié)點(diǎn)可在任意時刻主動向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，實(shí)現(xiàn)自由通信卓越特性和功能。因此將CAN 總線與嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)融合，將是后PC 時代的發(fā)展趨勢。本系統(tǒng)針對通信用多逆變模塊電源系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控要求而開發(fā)研制，其技術(shù)完全可以移植到樓宇自動化、工業(yè)底層設(shè)備網(wǎng)絡(luò)等其它遠(yuǎn)程監(jiān)控場合。