論基于CAN總線與以太網(wǎng)互聯(lián)的實時溫度和濕度監(jiān)控系統(tǒng)的研究
CAN(Controller area network)即控制器局域網(wǎng)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。起先CAN-bus被設(shè)計作為汽車環(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)用于各個自動化控制系統(tǒng)中。
從高速的網(wǎng)絡(luò)到低價位的多路接線都可以使用CAN-bus。例如，在自動控制、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)場控制層到管理層實現(xiàn)全面無縫信息集成。工業(yè)以太網(wǎng)滿足這一要求，實現(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)的實時溫度、濕度監(jiān)控系統(tǒng)，從而實現(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試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而設(shè)計的一種串行數(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具有獨特的優(yōu)點，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[2]：(1)CAN為多主工作方式，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點送信息，而不分主從;
(2)在報文標(biāo)識符上，CAN上的節(jié)點分成不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實時要求;
(3)CAN采用非破壞總線仲裁技術(shù)。當(dāng)多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息出現(xiàn)沖突時，優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間;(4)CAN節(jié)點只需通過對報文標(biāo)識符濾波即可實現(xiàn)點對點、一對多點及全局廣播幾種方式傳送接收數(shù)據(jù);(5)CAN報文采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，受干擾概率低，保證了數(shù)據(jù)出錯率極低;
(6)CAN節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響。
現(xiàn)場總線網(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控現(xiàn)場，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、濕度測控器主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場溫度、濕度數(shù)據(jù)的采集、處理、控制、顯示、報警以及通過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)的存儲和報表的存儲，同時，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)計溫度、濕度測控器主要分為數(shù)據(jù)采集、控制和CAN總線通訊3部分
溫度、濕度測控器的溫度、濕度傳感器采用瑞士圖2溫度、濕度測控器的硬件框圖Fig.2 Structure of temperature and humidity controllerSENSIRION公司的SHT10，傳感器包括1個電容式聚合體測濕元件和1個能隙式測溫元件，并與1個14位A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路在同一芯片上實現(xiàn)無縫連接。SHT10具有超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。
每個SHT10傳感器都在極精確的濕度校驗室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(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)集成變得簡易快捷。溫度、濕度測控器的MCU采用微芯公司的PIC18F2580，它是整個溫度、濕度測控器的運算控制單元，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)行實時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，是一款支持實時仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU，處理器時鐘高達(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32位捕獲/比較定時器、1個帶有2 KB電池SRAM的低功耗實時時鐘、看門狗定時器和1個片內(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)計軟件設(shè)計的對象主要包括3部分：溫度、濕度測控器的檢測控制和CAN通信，CAN以太網(wǎng)通信轉(zhuǎn)換，B/S平臺。
3.1溫度、濕度測控器的軟件設(shè)計溫度、濕度測控器的軟件流程
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)送對實時性要求比較高，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CAN控制器模塊進(jìn)行初始化。主要通過測控器本身的地址標(biāo)識的讀取來對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)動作，如設(shè)置相應(yīng)報警溫度濕度、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，運用bang-bang控制通過驅(qū)動電路控制中央空調(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個完整的發(fā)送和接收緩沖器串行接口，它是1個雙重接收緩沖器，有了這個雙重的接收緩沖器，芯片可以在對1個報文進(jìn)行處理時，可接收另一個報文，但它不含有驗收濾波器。驗收濾波器是獨立的器件，它對所有CAN通道進(jìn)行CAN標(biāo)識符過濾。
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)送臨時存儲區(qū)中的暫存信息。中斷流程圖見圖5。
μC/OS-Ⅱ是一個包含時間管理、任務(wù)調(diào)度等基本功能的小型、輕量級的嵌入式實時操作系統(tǒng)的內(nèi)核，而且LPC2378是基于ARMTDMI的ARM的內(nèi)核，其內(nèi)核與存儲器結(jié)構(gòu)都很適合操作系統(tǒng)的運行[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TCP之間創(chuàng)建1條虛連接，TCP在運輸層使用流量控制和差錯控制機(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)可在同一時間雙向流動。控制器作為客戶端發(fā)起連接。通過TCP/IP數(shù)據(jù)的收發(fā)中斷見圖6。
對于TCP數(shù)據(jù)包，LCP2378取出數(shù)據(jù)，并存入數(shù)據(jù)區(qū)，對數(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實驗測試系統(tǒng)研制成功后，與多個帶有32個節(jié)點CAN總線子網(wǎng)系統(tǒng)和以太網(wǎng)環(huán)境中進(jìn)行測試。主要針對TCP/IP協(xié)議和CAN協(xié)議的數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)對其性能和穩(wěn)定性進(jìn)行驗證。圖7所示為使用ZLGCANTest工具監(jiān)測到的數(shù)據(jù)截圖。
圖7 CAN總線數(shù)據(jù)截圖Fig.7 CAN field bus screenshot整個系統(tǒng)正式投入運行后，到目前為止已經(jīng)投入運行半年時間，系統(tǒng)運行穩(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)點自動脫離總線的現(xiàn)象。
4、結(jié)論
(1)所設(shè)計的基于CAN總線與以太網(wǎng)互聯(lián)的實時溫度、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)過長時間的測試和運行，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)程實時監(jiān)控，而且整個測控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性大大提高。
(3)實踐證明，基于CAN總線與以太網(wǎng)互聯(lián)的實時監(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。另外，該系統(tǒng)也可以應(yīng)用于其他需要實時監(jiān)控的領(lǐng)域。
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