基于CAN總線的分布式網架健康狀態監測系統的設計

摘要：針對某網架安全監測的需要設計了分布式健康狀態監測系統，介紹了在分布式系統中利用控制器局域網(CAN)組建分布式通信網絡模塊的方案。詳細闡述了基于CAN總線控制器SJAl000的采集系統設計方案及具體的硬件電路設計，并解決了在軟件設計中容易碰到的問題。

在某大網架結構的建筑中，由于網架結構的特殊性及其所處地理位置在沿海臺風多發地帶，因此需要設計高速數據采集系統對網架結構的健康狀況進行實時監測，并對數據進行實時分析和評估。由于需要對網架上受力情況進行多點監測，考慮到硬件集中控制擴展能力差且在現場施工有較大的布線困難，因此本系統采用目前廣泛應用的分布式系統設計方案，將各個控制單元分布在現場各采集點上。為了實現分布式系統的監測與控制功能，需要建立良好的通訊方式，以完成系統主機與各智能單元之間的信息交換與通信。根據本數據采集系統的特點，其通信系統應具有良好的可靠性、適應性、可擴展性和簡單的連接方式，并能滿足長距離傳輸的需要。由于此數據采集系統節點數多(100路)、對信號傳輸速度要求高且誤碼率低，利用485總線搭建數據采集系統的傳統方式，其最大控制結點只能有32個，在超過lkm的布線結構中傳輸速度只有lOOkbps，且“數據碰撞”和“死鎖”等問題不易解決，因此采用485總線顯然達不到設計要求。

    相對于傳統的485總線來講，控制器局域網CAN(Controller Area Network)作為現場總線的一種，以其分時多主、非破壞性總線仲裁和自動檢錯重發等靈活、可靠的通信技術解決了485總線現場調試困難、開發周期長等問題[1]。尤其在較為艱苦的安裝環境中，其高效的現場調試性能顯得尤為實用。作為一種分散式、數字化、雙向多點、具有高速率高可靠性特點的通信系統，CAN可以構建靈活的多主通訊機制，也可以建立主從式結構，而且這兩種方式下的硬件物理聯接完全相同。其自動進行數據編碼、CRC冗余校驗、出錯自動重發的功能保證了數據的準確率，某一節點嚴重出錯時能自動脫離總線保證了系統的穩定性，且其具有極強的帶負載能力，可驅動多達110個節點，可滿足本系統高速、精確、多負載的要求。

1 采集卡硬件電路的設計

1．1 CAN總線分布式系統結構設計

系統結構如圖1所示。本系統由上位監控PC機、CAN總線適配卡和控制單元三部分組成。上位監控PCs機采用IBM-PC兼容機，主要負責對系統數據的接收與管理、控制命令的發送以及各控制單元動態參數和設備狀態的實時顯示；CAN總線適配卡可以使PC機方便地連接到CAN總線上；控制單元以單片機為核心，主要負責對現場的環境參數和設備狀態進行監測，對采集來的數據進行打包處理并將處理過的數字信號通過CAN通信控制器SJA1000送入CAN總線。

1．2 控制單元模塊設計及關鍵問題的解決

控制單元的主要功能是將現場采集的模擬信號轉換成數字信號，通過CPU處理后再由CAN總線控制器打包送上CAN總線以便上位機接收處理；接收上位機控制信號，實現現場控制的具體操作。具體需要解決的問題為：①CAN模塊設計；②A／D模塊設計。

1．2．1 CAN模塊設計

控制單元以8位單片機AT89C51為核心，選用器件SJA1000作為CAN控制器，并選用芯片82C250和6N137作為CAN控制器接口和光耦隔離。硬件電路如圖2所示。

系統采用的CAN總線通信控制器SJA1000是PHILIPS公司生產的一種獨立式CAN器件，其原理框圖如圖3所示。它與CAN2．OB相兼容[1]，同時支持11位(BasicCAN模式)和29位(PeliCAN模式)識別碼。

圖2中AT89C51單片機的ALE、WR、RD端分別控制SJA1000的ALE／AS、WR、RD端，地址和數據線ADO～AD7由P0口分時復用實現。SJA1000的中斷請求信號INT在中斷允許且有中斷發生時，由高電來此跳變到低電平，所以INT和AT89C51的INT0直接相連。片選信號CS由GAL譯碼電路控制，當CS接到低電平時，SJA1000被選中，CPU可對SJA1000進行讀／寫操作。為了增強控制節點的抗干擾能力，防止線路間串擾，SJA1000通過光耦6N137與82C250相連，從而使總線上各個CAN節點之間實現隔離，以保護CAN控制器正常工作。82C250是CAN總線收發器，是CAN控制器SJA1000正常工作與CAN總線的接口器件，對CAN總線以差分方式發送。其引腳RS用于選擇82C250的工作模式(高速、斜率控制或等待)。RS腳接地，82C250工作于高速方式，RS腳串接一個電阻R后再接地，若82C250處于CAN總線的網絡終端，總線接口部分必須加一個120Ω的匹配電阻，以保護82C250免受過流的沖擊。

1．2．2 A／D模塊設計

A／D芯片選用12位高速采集芯片AD574。在本設計中，A／D模塊的功能是將外部模擬信號通過AD574轉換成數字信號后并行輸入到AT89C51，然后AT89C51將其打包，并行輸出至CAN總線通信控制器SJA1000，經總線收發器至CAN總線。其監控電路采用DS1232，它具有電源監控、手動復位和看門狗功能，還能同時輸出高低電平的兩路復位信號，分別輸出至AT89C51和SJA1000的復位端，以滿足本次設計的要求。

2 軟件設計

本健康監測系統要求軟件部分具有現場數字信號顯示、檢測并驅動現場信號設備等功能。在本設計中主要完成兩部分任務：第一是PC機部分的上位機顯示，主要通過集成開發環境軟件設計出上位機監視顯示界面，其重點在于PC機與現場節點間的通信；第二是現場節點控制設計，即設備驅動功能的實現，目的是能接收上位機的控制信號，使現場節點按既定的工作方式工作。

根據系統的工作要求，工作重點包括CAN總線通信程序、看門狗的初始化、A／D采樣控制程序、執行機構控制程序和控制算法等，主要流程如圖4所示。限于篇幅，這里著重介紹SJA1000初始化程序設計、發送程序設計、接收程序設計以及A／D轉換程序的設計。

2．1 SJA1000初始化設計

初始化流程圖如圖5所示。AT89C51上電或復位后，調用復位程序給SJA1000的復位端(RST)提供復位信號，使SJA1000進入復位模式。SJA1000的初始化只有在復位模式下才可以進行。初始化程序主要完成以下寄存器的設計：(1)通過對SJA1000的時鐘分頻寄存器定義，判斷是使用BassicCAN模式還是使用PeliCAN模式；是否使能CLOCKOUT及輸出時鐘頻率；是否使用旁路CAN輸入比較器；TX1輸出是否采用專門的接收中斷。(2)通過寫驗收碼寄存器和驗收屏蔽寄存器定義接收報文的驗收碼，以及對報文和驗收碼進行比較的相關位定義驗收屏蔽碼。(3)通過寫總線定時寄存器定義總線的位速率、位周期內的采樣點和一個位周期內的采樣數量。(4)通過寫輸出寄存器定義CAN總線輸出管腳TX0、TX1的輸出模式和輸出配置。(5)清除SJA1000的復位請求標志，進入正常工作模式，這樣SJA1000方可進行報文的發送和接收。

2.2 發送和接收程序設計

單片機將要發送的報文送到SJA1000的發送緩沖區，然后將SJA1000命令寄存器的發送請求標志位(TR)置位，發送過程由SJA1000獨立完成。在新報文寫入發送緩沖區之前，必須檢查狀態寄存器的發送緩沖器的狀態標志位(TBS)，若為“1”，則發送緩沖器被釋放，可將新的報文寫入發送緩沖器；否則，發送緩沖器被鎖定，新的報文不能被寫入，發送程序可以采用中斷方式和查詢方式。在本次設計中，采用的是查詢方式。

報文的接收也是由SJA1000獨立完成的。收到的報文通過接收濾波器存放在FIFO中，第一條報文進入接收緩沖器，由狀態寄存器的接收緩沖器狀態標志位(RBS)和接收中斷標志位(RI)標出。單片機從接收緩沖器取走一條報文后，要通過置位SJA1000的命令寄存器來釋放接收緩沖器。在本次設計中，接收程序的設計采用的是中斷方式。

    2．3 A／D轉換設計

在本次設計中采用的是12位逐次逼近型A／D轉換器AD574。以查詢方式設計程序，通過連續查詢A／D轉換結束標志位判斷轉換是否結束。當轉換結束時，將數據送人CPU中進行處理，并將處理后的數據保存至6264芯片。

基于CAN總線設計的高速分布式數據采集系統具有一定的使用價值，而且價格低廉、可靠性高。同時系統還具有可擴展性，在需要多通道采集的情況下只需添加少量的采樣保持芯片即可。通過對該總線系統的通信能力進行測試，并將上述系統置于強干擾環境中進行連續實驗，發現使用的通信速率完全可以保證數據的實時可靠傳輸，其通信效果完全滿足要求，同時上位機和底層節點也能夠保證相互間的協調工作。