摘 要：該文介紹了CAN總線的基本特點和智能節(jié)點數(shù)字量及開關量輸入輸出的設計實現(xiàn),并給出了軟件編制的方法。 關鍵詞：CAN總線;SJA1000;智能節(jié)點 Abstract: the paper describes the protocol and concept of CAN bus as well as the way to design and make a intelligent control node which can receive ,transmit digital and switching input or output signals ,It also gives out the software design. Key word: CAN bus， SJA1000， intelligent node 1 引言 　　隨著計算機科學的發(fā)展和以其為核心的4C技術（計算機技術、自動控制技術、通訊技術、CRT顯示技術）越來越深入的應用到工業(yè)生產的各個環(huán)節(jié),并引起了自動化系統(tǒng)結構的優(yōu)化和變革,逐步形成了以網(wǎng)絡集成自動化為基礎的控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線就是順應這一趨勢發(fā)展起來的。隨著現(xiàn)場總線技術的不斷發(fā)展和世界很多大公司連續(xù)的技術投入,而現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（field control system,FCS）在數(shù)據(jù)交換的實時性、準確性等方面取得了突破性的進展。該文結合筆者的實踐闡述了一個通用的CAN總線智能節(jié)點的設計,是在現(xiàn)場總線系統(tǒng)中分布于現(xiàn)場的一個子系統(tǒng),能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與閉環(huán)控制,而根據(jù)需要加入適當算法以后還可以實現(xiàn)智能控制。 2 CAN總線概述 　　CAN（Control Area Network）總線是一種支持分布式實時控制系統(tǒng)的串行通信局域網(wǎng)。由于其高性能、高可靠性、實時性等優(yōu)點,已廣泛應用于控制系統(tǒng)中的檢測和執(zhí)行機構之間的數(shù)據(jù)通信。它具有以下一些技術特性:（1）多主方式工作,非破壞性的基于優(yōu)先權的總線仲裁技術;（2）借助接收濾波實現(xiàn)多地址的幀傳送;（3）數(shù)據(jù)采用短幀結構,受干擾率低,數(shù)據(jù)幀的信息CRC校驗及其它錯誤檢測措施;（4）發(fā)送期間丟失仲裁或由于出錯而遭破獲的幀可以自動重發(fā);（5）對于嚴重錯誤具有自動關閉總線功能,使總線其它操作不受影響。CAN總線符合ISO11898標準,最大傳輸速率可達1MB/s（傳輸距離最大為40m）,最大傳輸距離為10km（傳輸速率約為5K）,傳輸介質可為雙絞線、同軸電纜等。由于CAN總線是一種很有發(fā)展前景的現(xiàn)場總線,得到了國際上很多大公司的支持。其硬件接口簡單,編程方便,系統(tǒng)容易集成。基于CAN總線的以上特點,它特別適用于系統(tǒng)分布比較分散、實時性要求高、現(xiàn)場環(huán)境干擾大的場合。 3 利用CAN智能節(jié)點的系統(tǒng)構成 　　由于CAN總線采用多主方式工作,可掛多達110個節(jié)點?？刂葡到y(tǒng)的構成由計算機和智能節(jié)點組成,如圖1所示:與DCS控制系統(tǒng)不一樣的是它的拓撲結構。不是所有的下位機以上位機為中心,而是所有的節(jié)點（包括上位計算機）都以“平等主體”的形式掛接在總線上。 [align=center] 圖1 CAN總線系統(tǒng)結構圖[/align] 　　智能節(jié)點能夠采集現(xiàn)場數(shù)據(jù),并根據(jù)接收到的命令或者主動將數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線。通過事先設置驗收碼和驗收屏蔽碼可以控制智能節(jié)點從總線上接收哪些數(shù)據(jù)或命令。如果某些數(shù)據(jù)需要進一步復雜的處理,則上位計算機可以從總線上接收數(shù)據(jù)。當上位機需要對某個節(jié)點施加控制動作時,可以采用點對點方式與該節(jié)點通訊;而當它要同時對所有節(jié)點施加控制動作時,可以采用廣播方式將命令發(fā)送到總線。這樣當系統(tǒng)正常運行時完全可以沒有上位機的參與。大大減少了數(shù)據(jù)的傳輸量,同時提高了系統(tǒng)的實時性和可靠性。 4 智能節(jié)點的硬件設計 　　CAN智能測控節(jié)點具有現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、控制及CAN總線通信功能，可以與監(jiān)控站及其它CAN智能測控節(jié)點傳送各種參數(shù)，并接收來自監(jiān)控站的命令和數(shù)據(jù)，用來調整和改變控制狀態(tài)。因此，在基于CAN現(xiàn)場總線的嵌入式ARM控制系統(tǒng)中，控制節(jié)點直接接觸控制對象，在系統(tǒng)中起著關鍵的作用。智能節(jié)點需3個脈沖量輸入、5個開關量輸入、7個開關量輸出，2路模擬量輸入、2路模擬量輸出，結構示意圖如圖2。為了實現(xiàn)對現(xiàn)場開關量的檢測與控制，該節(jié)點設計了開關量I/O通道，可實現(xiàn)4路開關量輸入和4路開關量輸出。4路開關量輸入經(jīng)光電耦合器隔離后，輸入單片機的I/O口。4路開關量輸出由P1口的引腳輸出，經(jīng)繼電器驅動，向外提供無源開關量控制信號。模擬量輸入經(jīng)放大、A/D轉換后輸入單片機，從單片機輸出的控制量經(jīng)D/A轉換后經(jīng)過放大控制相應的執(zhí)行器。 [align=center] 圖2 智能節(jié)點結構示意圖[/align] 　　CAN智能節(jié)點的結構原理圖如圖3所示:節(jié)點的核心器件是PHILIPS公司生產的CAN控制器（SJA1000）和CAN驅動器（PCA82C250）以及微控制器（單片機）。SJA1000是集成的獨立CAN控制器（與PHILIPS早期的CAN控制器PCA82C200完全兼容）,它負責完成CAN總線通信協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能。對于微處理器來說,它相當于一個存儲器I/O映象設備。SJA1000片內有控制寄存器、命令寄存器、狀態(tài)寄存器、中斷寄存器和收、發(fā)寄存器等, [align=center] 圖3 智能節(jié)點電路原理圖[/align] 　　單片機就是通過讀寫這些寄存器來實現(xiàn)對SJA1000的控制;芯片的TX0、TX1、RX0、RX1引腳用于與CAN總線的接口。PCA82C250是專門用于CAN總線收發(fā)驅動的9腳芯片,TXD、RXD引腳分別接收和發(fā)送經(jīng)驅動后的信號;雙絞線（同軸電纜）傳輸介質分別接至CANH、CANL引腳,必須注意的一點是CANH、CANL之間要加上120Ω的終端匹配電阻?？紤]到現(xiàn)場有各種各樣的干擾,在CAN控制器和驅動器之間加了高速光耦隔離器件 （6N137）;由于CAN控制器和微控制器內部都有自己的時鐘產生電路,為了讓兩者之間協(xié)調,外加晶振在CAN控制器上作為整個系統(tǒng)時鐘;并將CAN控制器的時鐘輸出作為微控制器的時鐘輸入;SJA1000的中斷輸出信號/INT接到單片機的INT1中斷;通過中斷方式實現(xiàn)單片機與CAN控制器的通信;同時為了使CAN控制器和微控制器能同時可靠的復位,外加了手動復位電路。 5 節(jié)點的軟件設計 　　智能節(jié)點的軟件設計大體可以分為兩個部分:一部分為初始化,其中包括單片機的初始化和CAN控制器的初始化;另一部分為節(jié)點實際要完成的數(shù)據(jù)采集和對執(zhí)行機構的控制功能，初始化以后,節(jié)點就可以工作。但要完成實際的任務,還要設計出應用層軟件。采用模糊控制算法，控制結構如圖4，軟件流程如圖5。 [align=center] 圖4 模糊控制系統(tǒng)結構圖[/align] 　　系統(tǒng)軟件所實現(xiàn)的功能為：采樣n時刻A/D轉換輸出值，與系統(tǒng)設定值和上次采樣值e（n-1）比較得n時刻偏差e（n）;和偏差變化率ec（n）;選擇合適的量化因子ke和kc，由相應的模糊化規(guī)則得到模糊值E（n）和EC（n）,分析E（n）和EC（n）的變化趨勢以確定是否加入積分環(huán)節(jié)。然后，根據(jù)E（n）和EC（n）的值直接查程序存儲器內的模糊控制總表或進行積分運算得到模糊控制增量。最后，對加入或不加入的模糊控制增量采用最大隸屬度原則進行模糊判決，選擇適當?shù)谋壤蜃觡u得到控制增量△u，計算△u+u（n-1）的值，即可得n時刻的控制量。該值可通過CAN總線傳送給其它智能單元，進行D/A轉換后即可控制現(xiàn)場設備或上位機做進一步的處理以協(xié)調整個系統(tǒng)各控制單元的正常、有效的運行。智能控制單元在處理以上任務的同時還要完成與CAN總線數(shù)據(jù)通信和對現(xiàn)場設備的狀態(tài)顯示與報警。由離線方式計算出的模糊控制總表可以直接以矩陣的形式寫入芯片內部程序存儲器，其軟件設計流程如圖5所示。 [align=center] 圖5 智能單元模糊控制實現(xiàn)程序框圖[/align] 　　經(jīng)實踐調試的結果表明:該智能節(jié)點的設計和實施方案是成功的。能可靠的運行和完成要求的任務,控制信息在現(xiàn)場進行處理,而管理層則在上位機中實現(xiàn)。體現(xiàn)了CAN總線高性能、高可靠性的特點。 參考文獻： 　　[1]郭素敏、向鳳紅 基于can總線的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計 昆明理工大學學報 　　[2]遲東明,司棟森.CAN總線在停車場燈光智能控制系統(tǒng)中的應用[J].微計算機信息,2005,2:46-47 　　[3]陸前鋒、劉波、陳明昭 基于SJA1000的CAN總線智能控制系統(tǒng)設計 儀器儀表 　　[4]鄔寬明 CAN總線原理和應用系統(tǒng)設計[M]北京：北京航空航天大學出版社 　　[5]PHILIPS SJA1000 Stand-alone CAN controller DATA SHEET[Z]2000