摘 要：本文介紹了基于CAN總線的集散控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，給出了Intel 87C196KD微處理器和PHILIP SJA1000 CAN控制器組成的CAN總線智能節(jié)點(diǎn)的硬件電路和軟件程序。 關(guān)鍵詞：CAN總線、集散控制系統(tǒng)、SJA1000 引言 　　現(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)，標(biāo)志著工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域又一個(gè)新時(shí)代的開始，并對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生了重要的影響。控制器局域網(wǎng)CAN（Controller Aera Network）屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有極高的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性的特點(diǎn)，是一種有效支持集散控制系統(tǒng)和實(shí)時(shí)控制的多主串行總線。 1. 基于CAN總線的集散控制系統(tǒng) 　　基于CAN總線的集散控制系統(tǒng)如圖1所示，采用現(xiàn)場(chǎng)總線式控制系統(tǒng)FCS（Fieldbus Control System）結(jié)構(gòu)，由上位機(jī)、CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)、CAN智能節(jié)點(diǎn)組成。上位機(jī)主要完成在線系統(tǒng)監(jiān)控，上位機(jī)通過CAN適配卡與CAN總線相連;CAN智能節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)采集及計(jì)算、節(jié)點(diǎn)設(shè)定、節(jié)點(diǎn)控制、運(yùn)行顯示等。上位機(jī)和智能節(jié)點(diǎn)之間通過CAN現(xiàn)場(chǎng)總線交換各種數(shù)據(jù)和管理控制信息。 2. CAN的性能特點(diǎn) 　　CAN為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，通訊方式靈活，且無需站地址等節(jié)點(diǎn)信息。 　　CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級(jí)，可滿足不同的實(shí)時(shí)要求，高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)最多可在134μs內(nèi)得到傳輸。 　　CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)的退出發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)較高的節(jié)點(diǎn)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(shí)間。 　　CAN只需要通過報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無需專門的“調(diào)度”。 　　CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（速率5kbps以下）;通信速率最高可達(dá)1Mbps（此時(shí)通信距離最長為40m）。 　　CAN上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá)110個(gè)，報(bào)文標(biāo)識(shí)符可達(dá)2032種（CAN2.0A），而擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)（CAN2.0B）的報(bào)文標(biāo)識(shí)符幾乎不受限制。 　　CAN采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，具有極好的檢錯(cuò)效果。 　　CAN的每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低。 　　CAN通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。 　　CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。 3. CAN智能節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì) 　　目前常用的CAN器件分為兩大類，一類是獨(dú)立的CAN控制器，如Philips的PCA82C250、SJA1000等，另一類是帶有CAN功能的微控制器，如PIC的DSPIC6014、TI的TMS320F2812、Motorola的MC9S12DT128等等。本文采用Intel的 87C196KD微處理器和PHILIP的 SJA1000 CAN控制器完成CAN總線智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。 圖2 CAN智能節(jié)點(diǎn)硬件電路[/align] 　　CAN智能節(jié)點(diǎn)硬件電路如圖2所示。電路主要由五部分組成：微控制器87C196KD、獨(dú)立CAN控制器SJA1000、CAN總線收發(fā)器82C250、高速光電耦合器6N137、復(fù)位電路。 　　微控制器87C196KD是CAN智能節(jié)點(diǎn)的核心部分，87C196KD具有32K字節(jié)的ROM和1000字節(jié)的RAM，可用高級(jí)語言編程。87C196KD主要完成節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集及計(jì)算、節(jié)點(diǎn)設(shè)定、節(jié)點(diǎn)控制、運(yùn)行顯示等功能，并與CAN控制器SJA1000之間發(fā)送、接收數(shù)據(jù)。 　　SJA1000芯片是一種應(yīng)用廣泛、性能優(yōu)異的CAN總線控制器。SJA1000負(fù)責(zé)完成CAN總線通信協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能。它有Basicmode和Pelimode兩種工作模式，與 Basicmode模式相比，Pelimode工作模式支持?jǐn)U展幀，報(bào)文標(biāo)識(shí)符可達(dá)29位，提供了更加強(qiáng)大的功能。為減少每幀非數(shù)據(jù)字符的數(shù)量，提高信息交換速度，在實(shí)際應(yīng)用中宜采用Basicmode模式。在Basicmode模式下，SJA1000對(duì)于微處理器來說相當(dāng)于一個(gè)存儲(chǔ)器映像外圍設(shè)備，它的可尋址域由控制段和接收、發(fā)送緩沖器組成。SJA1000的AD0～AD7連接到87C196KD的P3口（數(shù)據(jù)總線），采用并口連接方式，數(shù)據(jù)讀寫速度快。87C196KD 地址總線的P4.6、P4.7通過譯碼器與SJA1000的片選信號(hào)CS相連，SJA1000的RD、WR、ALE分別與87C196KD的RD、WR、ALE相連, SJA1000的INT經(jīng)過非門與87C196KD的EXINT相連, 微控制器也可以通過中斷的方式訪問CAN控制器。 　　82C250是CAN控制器與物理總線之間的接口。82C250的CANL和CANH與CAN總線相連，若82C250處于CAN總線的網(wǎng)絡(luò)終端，CANL和CANH之間需加一個(gè)匹配電阻，用于消除反射信號(hào)的干擾。RS用于選擇三種不同的工作方式：高速、斜率控制和待機(jī)，RS串接一個(gè)電阻后再接地，用于控制上升和下降斜率，減小射頻干擾。 　　為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)抗干擾能力，在CAN控制器SJA1000和CAN總線收發(fā)器82C250之間加接高速光電耦合器6N137，并采用DC-DC變換器隔離電源，這樣就很好的實(shí)現(xiàn)了總線上各個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)之間的電器隔離。 　　復(fù)位電路由看門狗MAX706和手動(dòng)復(fù)位按扭組成。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，MAX706自動(dòng)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)給87C196KD和SJA1000復(fù)位，若想重新啟動(dòng)程序，可用手動(dòng)復(fù)位按扭復(fù)位。 4. CAN智能節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì) 　　CAN智能節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要包括三部分：CAN初始化程序、報(bào)文發(fā)送程序、報(bào)文接收程序。下面給出了Basic CAN模式CAN智能節(jié)點(diǎn)軟件的程序框圖和C語言源程序。 　　a.CAN初始化部分 　　 　　#include <80c196kd.h> 　　/＊ 應(yīng)包含的微控制器寄存器的定義＊/ 　　#include _SFR_H_ 　　#include _FUNCS_H_ 　　#define BASE_CAN 0Xa000 /＊定義CAN控制器基址＊/ 　　typedef struct ｛ 　　unsigned int id; /＊報(bào)文標(biāo)識(shí)符＊/ 　　unsigned char rtr; /＊遠(yuǎn)程幀位＊/ 　　unsigned char dlen; /＊數(shù)據(jù)長度＊/ 　　unsigned char data[8]; /＊數(shù)據(jù)＊/ 　?。?MSG_STRUCT; /＊將CAN協(xié)議的幀用C語言的結(jié)構(gòu)表示＊/ 　　void init_can（） 　　｛ 　?。╱nsigned char＊）（BASE_CAN + 0） = 0x01; /＊SJA1000進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)＊/ 　?。╱nsigned char＊）（BASE_CAN + 4） = 0x00; /＊ 初始化接收代碼寄存器ACR ＊/ 　?。╱nsigned char＊）（BASE_CAN + 5） = 0xff; /＊ 初始化接收屏蔽寄存器AMR ＊/ 　?。╱nsigned char＊）（BASE_CAN + 6） = 0x00; /＊ 初始化總線時(shí)序寄存器BTR0 ＊/ 　?。╱nsigned char＊）（BASE_CAN + 7） = 0x14; /＊ 初始化總線時(shí)序寄存器BTR1 ＊/ 　?。╱nsigned char＊）（BASE_CAN + 8） = 0xfa; /＊ 初始化輸出控制寄存器OCR ＊/ 　?。? 　　b.報(bào)文發(fā)送部分 　　unsigned char can_send（MSG_STRUCT smsg） 　?。? 　　unsigned char v; 　　int i; 　　v=＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 2）; 　　if（ v &0x08） /＊判斷是否可以發(fā)送數(shù)據(jù)＊/ 　?。?v=smsg.id>>3; /＊標(biāo)識(shí)符送識(shí)別碼寄存器＊/ 　　＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 10） = v; 　　v=＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 10）; 　　v=smsg.id & 7; /＊識(shí)別碼0-2位、RTR、DLC＊/ 　　v<<=5; 　　v+=smsg.dlen; 　?。╱nsigned char＊）（BASE_CAN + 11） = v; 　　for（i=0;i 　?。?＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 12+i） = smsg.data[i]; ｝ 　?。╱nsigned char＊）（BASE_CAN + 1） = 0x01; 　　return（1）; 　　｝ 　　else 　?。?return（0）;｝ 　　｝ 　　c.報(bào)文接收部分 　　 　　unsigned char can_receive（） 　?。? 　　MSG_STRUCT rmsg; 　　int i; 　　unsigned char buf1,buf2; 　　while（（＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 2）） & 0x01）/＊判斷是否有可接收信息＊/ 　?。鸼uf1 = ＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 20）; /＊將一幀信息取出＊/ 　　buf2 = ＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 21）; 　　rmsg.dlen = buf2 & 0x0f; /＊數(shù)據(jù)長度＊/ 　　for（i=0; i< rmsg.dlen; i++） /＊取出數(shù)據(jù)＊/ 　?。鹯msg.data[i]=＊（unsigned char＊）（BASE_CAN + 22 + i）; ｝ 　?。╱nsigned char＊）（BASE_CAN + 1） = 0x04; /＊釋放接收緩沖器＊/ 　　rmsg.rtr = （buf2 >> 4） & 0x01; /＊遠(yuǎn)程幀＊/ 　　rmsg.id = buf1; /＊取出報(bào)文標(biāo)識(shí)符＊/ 　　rmsg.id <<= 3; 　　rmsg.id |= （buf2 >> 5） & 0x06; 　　switch （rmsg.id） /＊按標(biāo)識(shí)符轉(zhuǎn)入不同的數(shù)據(jù)處理程序＊/ 　　case …… 　?。? 　　……｝ 　　break; 　　case …… 　?。? 　?。? 5. 結(jié)束語 　　本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于：將現(xiàn)場(chǎng)總線引入到集散控制系統(tǒng)中，克服了傳統(tǒng)的串行通訊集散控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，通訊可靠性差的問題。所給出的CAN智能節(jié)點(diǎn)已應(yīng)用于某發(fā)電廠的集散控制系統(tǒng)中，經(jīng)過一年多的運(yùn)行情況發(fā)現(xiàn)該設(shè)計(jì)方案具有較好的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。CAN智能節(jié)點(diǎn)不僅可以應(yīng)用于集散控制系統(tǒng)，還可以用于其它分布式控制系統(tǒng)。 參考文獻(xiàn)： 　　1. 鄔寬明.CAN總線原理與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1996. 　　2. 蘇榮艷,常久鵬,邵力清,鄧康耀.基于CAN總線的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)接口通訊卡的設(shè)計(jì).微計(jì)算機(jī)信息.2005,1:101-103 　　3. 來清民.基于CAN總線的多功能大型糧倉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng).微計(jì)算機(jī)信息.2005,7:51-52. 　　4. ‘PHILIPS SJA1000 Stand-alone CAN controller DATA SHEET’,2000. 　　5. ‘PHILIPS 82C250 CAN controller interface DATA SHEET’,2000. 　　6. ‘INTEL 87C196KD DATA SHEET ’,1995