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為了解決在工業(yè)生產(chǎn)中遇到的現場(chǎng)檢測信息的采集、處理和同步等問(wèn)題，提出了實(shí)現過(guò)程分析儀器CAN 總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信的方法。根據項目的設計要求，制定了適用的CAN 應用層協(xié)議，編寫(xiě)了各個(gè)節點(diǎn)的通信程序，在試驗中取得了良好的效果。分析儀器的網(wǎng)絡(luò )化能夠滿(mǎn)足多組分分析儀器在分析周期、儀器成本等方面的要求，減少分析儀器對DCS 端口的占用。 現代流程工業(yè)的過(guò)程控制中，分析檢測具有在線(xiàn)、多組分、實(shí)時(shí)檢測的特點(diǎn)，對分析儀器在穩定、可靠、快速、準確等方面有著(zhù)嚴格的要求。而廣泛使用的工業(yè)色譜儀采用色譜分離原理，分析周期長(cháng)達數分鐘至數十分鐘，難以實(shí)現過(guò)程的直接質(zhì)量控制。過(guò)程拉曼光譜儀和激光調制光譜儀等新技術(shù)目前價(jià)格昂貴，關(guān)鍵技術(shù)尚在研究階段，難以普及。利用技術(shù)成熟的單檢測器單組分過(guò)程分析儀器，通過(guò)分析傳感器組合技術(shù)和嵌入式計算機技術(shù)，實(shí)現多組分實(shí)時(shí)檢測和建立簡(jiǎn)便快捷的分析儀器通信網(wǎng)絡(luò )系統已成為近期國內外分析儀器研發(fā)的熱點(diǎn)之一。 基于單片機（80C196）或微處理器（DSP、ARM 等）的多組分氣體分析儀采用功能強大的CPU，可實(shí)時(shí)快速測定各種燃燒設備的各項熱工參數。根據測量數據，通過(guò)自動(dòng)調節裝置調整風(fēng)量，保持適當的空氣／燃料比，使燃料系統達到最佳運行狀態(tài)，以獲得最高的燃燒效率和最低的燃料消耗。儀器還可以測定CO、SO2、NO、NO2、煙氣黑度等參數，并配有液晶屏、鍵盤(pán)等外設。 CAN（Controll Area Network）是國際上應用最廣泛的現場(chǎng)總線(xiàn)之一，使用了一種串行多控制方通信協(xié)議，可以有效地支持分布式實(shí)時(shí)控制，并且具有很高的安全性和高達1Mbps的通信速率。 一個(gè)包含PC 機和n－1（n≤110）個(gè)智能節點(diǎn)的CAN 總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )結構圖如圖1 所示。 圖1 n 個(gè)節點(diǎn)的CAN 網(wǎng)絡(luò )結構圖 信息的傳輸采用CAN 通信協(xié)議，傳輸介質(zhì)采用雙絞線(xiàn)，如果需要進(jìn)一步提高系統的抗干擾能力，還可以在控制器和傳輸介質(zhì)之間加接光電隔離，電源采用DC-DC 變換器等措施。 1 分析儀器CAN 網(wǎng)絡(luò )應用層協(xié)議的制定 CAN 的國際標準中只定義了物理層和數據鏈路層的規范，由于本項目構建的CAN 總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數目不多，所有節點(diǎn)都由項目組自行設計，不需要與國際標準設備進(jìn)行接口，所以，這里根據本項目的具體情況，制定了一個(gè)簡(jiǎn)易的CAN 應用層協(xié)議。 根據廠(chǎng)方要求，網(wǎng)絡(luò )初步規劃應至少可容納16 個(gè)節點(diǎn)。上位機收集各分析儀器的信息，包括氣體組分分析含量、出錯信息和被測氣體的一些參數，如溫度、壓力、流量等，也返回一些控制信息給智能節點(diǎn)。在每個(gè)分析周期從節點(diǎn)的氣體組分分析結果送往主節點(diǎn)，主節點(diǎn)待收到所有待測組分含量后，將所有信息一并送往上位機。網(wǎng)絡(luò )中的任一臺分析儀器均可做為主節點(diǎn)或從節點(diǎn)，甚至在沒(méi)有上位機的情況下也可以做為上位機。 在CAN 系統中，以11 位（標準幀）或29 位（擴展幀）的標識符來(lái)標識數據的含義，標識符決定了信息的優(yōu)先權和等待時(shí)間，同時(shí)也影響信息濾波的適用性。因而，合理、高效的信息標識符ID 分配方案是充分發(fā)揮CAN 總線(xiàn)性能的前提條件。 分析儀器主控制器之一F2812 DSP 片上共有32 個(gè)郵箱，在SCC 模式下0-15 郵箱可用，在eCAN 模式下，32 個(gè)郵箱全部可用，可以很方便地實(shí)現主節點(diǎn)對從節點(diǎn)信息的接收和存儲。故推薦采用主控制器為F2812 的分析儀器作為該網(wǎng)絡(luò )中的主節點(diǎn)，選擇eCAN 模式，使用標準標識符（11 位），對其進(jìn)行如表1 所示的靜態(tài)分配策略，即可滿(mǎn)足上位機和主節點(diǎn)識別幀來(lái)源和幀意義的要求。 2 網(wǎng)絡(luò )通信程序 2.1 上位機端初始化 上位機端主要完成對各分析平臺分析結果的采集、顯示，使用PC 機加CAN 通訊卡KPCI-8110。KPCI-8110 上集成了獨立的CAN 控制器SJA1000。SJA1000 用于移動(dòng)目標和一般工業(yè)環(huán)境中的區域網(wǎng)絡(luò )控制(CAN)，在使用前要先對其進(jìn)行初始化。 上位機顯示界面采用適合快速開(kāi)發(fā)的可視化面向對象高級語(yǔ)言VB 來(lái)編寫(xiě)。KPCI-8110CAN 適配卡提供.dll 驅動(dòng)和.lib 庫函數，通過(guò)在VB 程序中調用相關(guān)的驅動(dòng)函數就可以實(shí)現CAN 適配卡的配置和數據的讀寫(xiě)。 上位機端接收數據的流程如圖2 所示。 圖2 上位機接口函數使用流程圖 數據接收到上位機之后保存在一個(gè)大容量的內存緩沖池內，用戶(hù)只需實(shí)時(shí)通過(guò)函數CAN_ReadDataNum(mindex) 查詢(xún)緩沖池內的數據量， 再通過(guò)函數CAN_ReadBlockData(mindex,num,obyte)及時(shí)讀走保存即可。其中obyte 為接收數據起始指針。 CAN_ClearBlock(mindex,num,obyte)為清空從obyte 指針開(kāi)始的緩沖池空間。 注意：由于SJA1000 CAN 控制器每個(gè)地址存儲8 位數據，而F2812 內置CAN 控制器每個(gè)地址存儲16 位數據，而且標準數據幀的標識符也不是從字節的起始位開(kāi)始的，所以定義標識符的時(shí)候要按照不同控制器的要求來(lái)定義。例如F2812 內置CAN 控制器定義數據幀標識符為344 0000（bit28-bit18 為標識符位），SJA1000 獨立控制器對應的標識符應為1A20（bit15－bit5 為標識符位）。 2.2 分析儀器CAN 網(wǎng)絡(luò )通信程序設計 智能節點(diǎn)分析儀器端的編程采用 C 語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言相結合的方式，采用結構化程序設計方案，可讀可移植性好。流程如圖3 和4 所示。 圖3 分析儀器主節點(diǎn)程序流程圖 主節點(diǎn)在接收到從節點(diǎn)傳送過(guò)來(lái)的數據后，在接收成功引起的中斷處理程序中對數據進(jìn)行處理，然后轉存到主節點(diǎn)的發(fā)送郵箱中，等待發(fā)送給上位機。在進(jìn)行數據處理的時(shí)候要把接收郵箱中的數據賦給中間變量，處理完后再把中間變量的值賦給發(fā)送郵箱，這個(gè)過(guò)程中要注意借助指針來(lái)完成。如下所示： Mailbox = &ECanaMboxes.MBOX0 + n; // n 為郵箱號 receiveboxl = Mailbox-＞MDRL.all; receiveboxh = Mailbox-＞MDRH.all; 圖4 分析儀器從節點(diǎn)程序流程圖 3 實(shí)驗結果及分析 使用 KPCI-8110 的測試程序向分析儀器周期發(fā)送一幀數據時(shí)，查看測試程序和分析儀器存儲器可以看出，分析儀器端正確地接收到PC 發(fā)送來(lái)的數據，CAN 網(wǎng)絡(luò )運行良好。圖5為自己開(kāi)發(fā)的接收界面試驗狀態(tài)下成功接收到數據，分析儀器網(wǎng)絡(luò )分析周期為20s，發(fā)送速率為100Kbps。 圖5 上位機接收界面 在對節點(diǎn)和上位機的通信進(jìn)行試驗的時(shí)候發(fā)現，在單獨使用eCAN 模塊發(fā)送和接收數據時(shí)，通信情況良好，發(fā)送和接收的幀數相同。 需要注意的是，在運行DSP 多組分氣體分析平臺的整個(gè)軟件程序時(shí)，在較短時(shí)間內要以較大速率發(fā)送大批量數據，故將A/D 采樣之后的數據濾波和處理部分放在主程序中執行，盡可能減少A/D 中斷服務(wù)子程序的處理時(shí)間，這樣就可以減少對CAN 發(fā)送中斷程序的影響。 經(jīng)實(shí)驗證明，以上分析和判斷是正確的，網(wǎng)絡(luò )通信狀況良好，無(wú)丟幀現象。 4 總結 該網(wǎng)絡(luò )通信系統在試驗中得到了良好的效果，滿(mǎn)足了多組分分析儀器的設計要求。 |
