基子CAN_BUS的控制器調試系統的設計

摘要：調節多點控制器的控制參數是一項復雜的工作，以CAN_BUS通信協議為基礎，設計了一種連接多個CAN端點的調試系統，通過創建通信協議，實現了上位機與控制器的CAN端點的實時數據交流。闡述了控制器與上位機的通信流程。

磁懸浮轉向架的懸浮由四組電磁鐵實現，每組電磁鐵都有獨立的懸浮控制器，控制該點的懸浮與下落。為了獲得最優的控制參數，需要在整個轉向架的懸浮過程中通過上位機監視軌道與電磁鐵之間的間隙、電磁鐵工作電流等狀態參數以及懸浮控制器的控制參數，動態地修改控制參數以觀察控制效果。

懸浮控制器之間是相互獨立的，上位機無法同時監控多個懸浮控制器，因此需要找到合理的通信方式使上位機同時與所有的控制器連接，使它們之間能夠實時傳遞數據。CAN總線是一種有效支持分布式控制和實時控制的多主的異步串行通信網絡。由于CAN總線具有較強的糾錯能力，支持差分收發，適合高噪聲環境，具有較遠的傳輸距離，在各個領域中得到了廣泛應用。CAN通信協議規定通信波特率、每個位周期的取樣位置和個數都可以自行設定，這保證了用戶在使用過程中的靈活性。選用CAN總線，無論是在抗電磁干擾方面還是在實時性方面都能夠滿足實驗要求。

圖1

1 調試系統硬件端口的設計

懸浮控制器使用SJA1000作為CAN總線協議轉換芯片。SJA1000是一種獨立控制器，用于移動目標和一般工業環境中的區域網絡控制。它內建BASIC CAN協議，并提供對CAN2．0B協議的支持。通過對片內寄存器的讀、寫操作，懸浮控制器的核心處理器能夠設置CAN總線通信模式，實現數據的發送與接收。它的傳輸速度很快，位速率可達1Mbit／s，可滿足高速大流量實時傳輸要求。

SJA1000在邏輯上實現了傳輸數據的編碼和解碼，若要與物理線路連接，必須借助總線驅動器。PCA82C250是協議控制器與物理鏈路之間的接口，可以用高達1Mbit／s的位速率在兩條有差動電壓的總線電纜上傳輸數據，它與SJA1000結合才能實現CAN總線通信。

圖1為CAN總線接口電路原理圖。圖中，SJA1000用16MHz的晶振作為基準時鐘，數據線AD0～AD7與核心控制器的低八位數據線相連，在CS、RD、WR的控制下可實現芯片寄存器的讀寫。RX0和TX0與PCA82C250數據輸入引腳相連，作為串行數據線。RX1與PCA82C250的參考電壓引腳5相連，向PCA82C250輸出參考電壓。PCA82C250的兩根輸出數據線之間加上120Ω的終端電阻，用以匹配線路。

上位機通過專用的USBTOCAN轉換器實現PC機與CAN總線的連接，市場上有很多這類產品，這里不再詳細說明。上位機主要提供人機交互界面，顯示狀態和控制器參數，并完成參數與程序的下載。

2 通信協議構建

DSP控制器上的CAN總線端口要完成兩項工作：(1)上傳控制器的控制常量和電流、間隙等狀態參數，送給檢測系統；(2)讀取上位機下傳的待修改的控制參數，實現參數的在線修改，接收下傳的程序文件，實現DSP主程序的在線寫入。

在調試過程中，實現多DSP系統的在線聯調是很有效的調試手段。這樣，上位PC機不但能夠采集各控制器的狀態參數，還能夠對采集的數據進行整理與顯示，并能實時調整不同控制器的控制參數，最終實現控制器運行程序的遠程下載。

為實現CAN總線的數據傳送，需要定義參數包、程序包、命令包三種傳送數據包，并分別由0x11、0x22、0x33標示出來。根據數據傳送方向的不同，數據包的格式略有差異?？紤]到CAN總線上的節點較多，為避免數據傳送過程中出現混亂的情況，定義數據發送的基本數據包大小為8個字節，即CAN總線一次傳送的最大字節數為8。

    2．1 下傳數據協議

下傳數據包括程序、參數、命令三種數據類型。

2．1．1 參數數據包格式

上位機需要下傳的數據包括控制參數C1、C2、C3及給定間隙與電流，根據修改需要，每個參數都是單獨下傳的。下傳數據包的大小與CAN的最大有效傳送字節數一致，為8個字節。第一個字節指出數據包的類型(用Oxll標示)，第二個字節指出參數類型(用0xx7標示)，第三字節至第八字節指出傳送的有效數據，對應上面給定參數的參數標示依次為0x17、0x27、0x37、0x47、0x57。圖2所示為數據包的一般格式。

2.1.2 程序數據包格式

FLASH寫入文件較大，一般有幾十K字節。控制系統采用的FLASH芯片AT29C010以128字節為基本操作單位。為了適應芯片，可將文件分成128字節的數據段，并為每個數據段標定次序。發送時，標出數據段號及該片數據所處段中的位置即可?？刂破鹘邮盏?28字節后，做一次寫入FLASH操作，數據包格式及說明見圖3。

    2．1．3 命令數據包格式

命令數據指出對下傳參數的操作，Oxx7+0x44表示對某一參數的修改生效，如：0x17+0x44使能C1，0x27+0x44使能C2，0x37+0x44使能C3。如果修改的參數不能滿足控制要求，調試員希望能恢復原來的運行參數，因此定義0x55為修改參數恢復命令，如：0x17+0x55恢復C1，0x27+0x55恢復C2，0x37+0x55恢復C3。0x66+0x66表示將下傳數據寫入最后的FLASH參數存儲區。命令數據包格式如圖4所示。

2.2 上傳數據協議

上傳數據包的大小也為8個字節，數據包類型分為參數反饋、命令反饋兩種，參數反饋用于上傳DSP的實際運行控制參數及間隙、電流等狀態信息，命令反饋用于對PC機使能、寫入、參數恢復等命令的應答。

上傳數據依次為控制參數C1、C2、C3、CURRENTl、CURRENT2、CLEARANCE。數據類型標示依次為0x17、0x27、0x37、0x47、0x57、0x67。由于上位機要同時接收多個控制器上傳的數據，所以為了正確區分這些參數，需要給上傳的數據包加入端口標示，指出數據包來自哪個總線端口。上傳的數據包在前面格式的基礎上還要加入對應于各控制器的CAN總線端口號。

上傳命令是對總線通信出現異常情況的應答，因為控制器隨時將控制參數上傳，且參數字節數較少，出錯的可能性較低，不需配備應答命令；而上傳程序的數據量較大，容易出現錯誤，必須配備應答命令，指示程序寫入過程。

因為控制器是周期性地掃描SJAl000的接收緩沖區，當總線連接的節點較多時，數據量較大，難免會發生數據漏收的情況；而且控制器對外部中斷的響應也會影響掃描周期，使接收緩沖區中未來得及讀取的數據被新數據沖掉。當控制器發現應接收的數據位置與已接收到的數據位置不符時，控制器發差錯命令給上位機，指出應接收的數據段號及位置，上位機接收到這一信息后重發相關數據。發送數據包包含CAN端口字節、命令標示、段號、位置號等信息。通信過程中也可能出現發送數據與接收數據不符的情況，因此有必要引入數據校驗算法?？刂破鲗⒔邮盏降?28字節校驗后得到的校驗值與接收到的校驗值作比較，一致后才將數據寫入FLASH；否則反饋回校驗值錯誤信息，上位機重發該段數據。發送數據包包含CAN端口字節、命令標示、段號、重發標示(0x88)等信息。

圖5

3 通信程序設計流程

3．1 控制器通信流程

控制器的通信部分主要在主程序循環中完成。每次主程序循環中，控制器都向調試系統發送當前C1、C2、C3、CURRENTl、CURRENT2、CLEARANCE等信息；一旦接收到調試系統下傳的信息，控制器便分析下傳信息的性質，對它們分別進行判別與應答。

圖5是控制器的通信流程?？刂破魃想姾?，程序從FLASH的參數存儲區(最后256個字節)讀取控制參數值，存人控制參數緩存中，作為參數初值。同時，控制器通過CAN總線接收上位機下傳的控制參數，校驗后存入控制參數緩存中。一旦接收到參數使能命令，則將緩存中的數據復制給C1、C2、C3等變量，作為實際的工作參數；調試完畢后，在接收到參數寫入命令后，將參數寫入FLASH的參數存儲區，作為永久工作參數。接收到程序數據包后，控制器首先檢驗數據的次序，保證接收到的數據按次序排列；接著代入校驗算法，將計算得到的校驗值和接收的校驗值作比較，不一致則給上位機反饋校驗值錯誤命令，要求上位機重發該段程序，否則將數據寫入FLASH。圖中監控信息的發送周期可根據情況確定。

3．2 上位機通信流程

上位機是調試員與控制系統的接口，它顯示控制器的上傳參數，將調試員需要修改的控制參數下傳。為完成上述功能，調試界面應包括參數顯示窗口、參數輸入窗口、命令工具條等，必要的話，還應將狀態參數以曲線的形式顯示出來。調試人員根據狀態曲線調整控制參數。

圖6是上位機的調試流程，單控制器的總線最短發送周期為5ms，隨著總線通信量的增加，監控界面的掃描周期也應相應延長。參數顯示界面顯示的是上位機最新收到的參數，其值總是實時刷新的。發送修改參數時，每次只發送一個參數，上位機需將參數變成不大于4字節的字符型數組才能發送?？刂破髟谑盏絽禂祿?，也要將數據字節逆序重組，才能得到需要的修改參數。上位機在下載程序的過程中，若在對某段程序多次重復發送后依然收到錯誤反饋，則顯示錯誤狀態，停止數據發送，由調試人員檢查線路，重新給出下載命令。

多個控制器控制參數的調試是一個相當繁雜的過程，本文給出了基于CAN總線的調試系統，其設計目的就是簡化調試過程，縮短調試時間。應用這套系統，調試人員可以同時動態地調整多個控制器的控制參數，通過反饋的控制器狀態判斷參數優劣，達到快速尋找最優控制參數的目的，是調試過程中的一條有效輔助手段。