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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)的研究與設(shè)計
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、可靠性高、功能完善、成本合理的遠程網(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
1.1can總線與互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)的發(fā)展狀況can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國際標準(iso11898)
。can遵循osi模型，按照osi基準模型，can機構(gòu)分為2層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。按照ieee802.2和802.3標準，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)，通過兩者的有機聯(lián)接，從而構(gòu)成一個中型/大型的遠程監(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、濕度測控器主要負責現(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)換器進行數(shù)據(jù)交換。
can、以太網(wǎng)通信轉(zhuǎn)換器主要負責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)器負責監(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.2structure 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)、抗干擾能力強等優(yōu)點。
每個sht10傳感器都在極精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數(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)用這些校準系數(shù)。兩線制串行接口和內(nèi)部基準電壓，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32kb快閃存內(nèi)存、4kb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，功耗低，速度高[4]。pic18f2580主要負責數(shù)據(jù)采集與控制，并與通信轉(zhuǎn)換層適配器進行實時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72mhz。片內(nèi)含有高達512kb的片內(nèi)flash和58kb的片內(nèi)sram存儲器，具有強大的通信接口：10/100m以太網(wǎng)媒體訪問控制器(mac)，2路can-bus接口。
增強型外設(shè)4個32位捕獲/比較定時器、1個帶有2kb電池sram的低功耗實時時鐘、看門狗定時器和1個片內(nèi)4mhz的rc振蕩器。lpc2378的強大功能為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，故采用中斷方式進行處理。微處理器pic18f2580在程序開始首先要對can控制器模塊進行初始化。主要通過測控器本身的地址標識的讀取來對can控制器的過濾器和屏蔽器進行配置。屏蔽器用于確定標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進行數(shù)據(jù)讀取，并把讀取數(shù)據(jù)與設(shè)定數(shù)據(jù)進行比較，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。3.2can與以太網(wǎng)通信轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計3.2.1lpc2378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通道進行can標識符過濾。
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)程序負責發(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�？刂破髯鳛榭蛻舳税l(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7can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。
5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、濕度可以乾地遠程實時監(jiān)控，而且整個測控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準確性大大提高。
(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。
參考文獻：
[1]鄔寬明.can總線原理與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[m].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1996.wu kuan-ming.the theory and application system design ofcan bus[m].beijing:beihang university presss,1996.
[2]饒運濤,鄒繼軍,鄭勇蕓.現(xiàn)場總線can原理與應(yīng)用技術(shù)[m].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.rao yun-tao,zou ji-jun,zheng yong-yun.the theory andapplication system design of can bus[m].beijing:beihanguniversity presss,2003.
[3]xu jian-ning,liu wei-dong,ji yan-peng,et al.remotemeasuring and controlling system based on ethernet and canbus[j].computer measurement&control,2007,15(3):302?304.
[4]劉小強,粟梅.基于can總線的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的設(shè)計[j].儀表技術(shù)與傳感器,2006(9):22?24.liu xiao-qiang,su mei.design of data acquisition systembased on can fieldbus[j].instrument technique and sensor,2006(9):22?24.
[5]曹小華,趙成,陶德罄.基于現(xiàn)場總線can的實時監(jiān)控系統(tǒng)研究與設(shè)計[j].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2005,29(6):910?916.cao xiao-hua,zhao cheng,tao de-qing.research anddesign of real-time supervisory control system based on canfieldbus[j].journal of wuhan university of technology,2005,29(6):910?916.
[6]王永翔,王立德.多播交互式can總線與以太網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)關(guān)設(shè)計[j].電子測量與儀器學(xué)報,2007,21(3):83?87.wang yong-xiang,wang li-de.design of multicast andswitch gateway between can field bus and ethernet[j].journalof electronic measure and instrument,2007,21(3):83?87.
[7]劉暾東,謝維盛,蔡崗全.ethernet/ip通信適配器的設(shè)計與實現(xiàn)[j].儀器儀表學(xué)報,2008,29(10):2220?2224.liu tun-dong,xie wei-sheng,cai gang-quan.design andrealization of ethernet/ip communication adapter[j].chinesejournal of scientific instrument,2008,29(10):2220?2224
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