摘要：為了保證數據傳輸的實時性、可靠性，解決數據傳輸過程中易受干擾的問題，并保證數據采集" title="數據采集">數據采集和控制系統" title="控制系統">控制系統的性能，采用CAN" title="CAN">CAN總線作為現場總線來實現數據傳輸。經過對系統軟硬件在不同環境下的多次測試，驗證了該系統的性能，同時也體現了CAN總線在通信能力、可靠性和實時性等方面的明顯優勢。
關鍵詞：CAN總線；數據采集；控制系統；串行通信
0 引言
隨著計算機網絡上的高速發展，使得信息的交流與共享變得空前廣泛和自如，而這項技術也滲入到自動化領域的變革當中，現場總線(Fieldbus)由此應運而生，開創了工業控制的新篇章。現場總線是一種應用于生產現場，在現場設備之間、現場設備和控制裝置之間實行雙向、串形、多結點的數字通信技術，在當今自動化領域中具有廣闊的發展前景。本文給出了一種基于CAN總線的數據采集與控制系統設計" title="設計">設計方案，實現對開關量的數據采集和對外部設備的控制功能。
控制器局域網(Controller Area Network，CAN)總線是現場總線的一種，是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行網絡通信，已經被廣泛地應用于工業自動化、船舶、醫療設備、工業設備等方面，并被公認為最有前途的現場總線之一，其主要特點如下：
(1)CAN是有國際標準的現場總線。
(2)CAN為多主工作方式，網絡上的任意一節點都可在任意時刻向網絡上的其他節點發送信息，且不分主從。
(3)CAN采用非破壞總線仲裁技術。當多個節點同時向總線發送信息出現沖突時，優先級低的節點將主動退出發送，而優先級高的節點不受影響繼續發送。
(4)CAN節點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能，使總線上其他節點的操作不受影響。
(5)報文采用短幀結構，傳輸時間短，受干擾概率低，而且每幀都有CRC校驗及其他校驗措施，具有極好的檢錯效果。
(6)CAN的直接最遠通信距離可達10 km，最高通信速率可達1 Mb／s。
1 系統總體結構設計
系統主要由上位機(PC機)和數據采集和控制模塊組成。系統總體結構設計如圖1所示。
上位機是整個系統的核心，實現系統的監控和管理功能。CAN總線智能適配卡的作用是收集各個CAN節點上的數據，然后轉發到上位機，同時把上位機的命令轉發到各個節點。由于CAN總線特有的多主傳輸方式，各個節點根據需要自主地向總線發送數據，而且在上位機監聽各個節點的同時，節點也實時監聽總線并接收自己需要的數據。數據采集和控制模塊采用微處理器和可編程的CAN控制芯片，主要用于完成現場數據的采集、數據的傳送以及各個現場設備運行的控制。
2 數據采集和控制模塊硬件設計
基于CAN總線的數據采集與控制系統將功能盡可能地分散到各個控制模塊中，各個模塊以微處理器為核心，完成數據采集和控制功能。為了使信息能在CAN協議的標準下進行通信，各個模塊都設有CAN總線接口電路。該模塊的微處理器(MCU)選用宏晶科技的STC89C52RC單片機。STC89C52RC是新一代超強抗干擾、高速、低功耗的8位單片機，指令代碼完全兼容傳統的8051單片機，36個通用I／O口，3個16位定時器／計數器，4路外部中斷。根據實際需求分析，STC89C52RC單片機完全滿足本設計的需求。數據采集和控制模塊的結構如圖2所示。
2．1 CAN總線接口硬件設計
CAN總線接口硬件結構如圖3所示。
在本系統中CAN總線控制器選用SJA1000。SJA1000是Philips公司生產的獨立的CAN總線控制器，可以應用于一般的工業環境中和移動目標的CAN總線網絡控制。SJA1000是Philips半導體PCA82C200 CAN總線控制器BasicCAN的替代產品，而且增加了一種新的工作模式PeliCAN，這種模式能支持具有很多新特性的CAN 2．0B協議。基本特性如下：兼容BasicCAN模式；擴展地接收緩沖器(64 B，先進先出FIFO)；同時支持11位和29位識別碼；位速率可達1 Mb／s；24 MHz時鐘頻率；對不同微處理器的接口兼容；可編程的CAN輸出驅動器配置。PeliCAN模式擴展功能包括；可讀／可訪問的錯誤計數器；可編程的錯誤報警器；對每一個CAN總線錯誤進行中斷；單次發送無重發；驗收濾波器控制4 B代碼、4 B屏蔽等。
CAN總線收發器選用Philips公司生產的專用CAN總線收發器PCA82C250，提供CAN總線協議控制器和物理總線接口，而且對CAN總線控制器提供差動接收能力。基本特性如下：高速率(最高達1 Mb／s)；具有抗瞬間干擾和保護總線的能力；利用斜率控制，可降低射頻干擾；使用差分接收器，可抗寬范圍的共模干擾，以及抗電磁干擾；熱保護；低電流待機模式；未上電的節點對總線無影響；可以支持多達110個節點。
為了增強CAN總線節點的抗干擾能力，并不是在SJA1000與PCA82C250之間直接相連，而是加入了高速光耦隔離器。這樣能很好地實現總線上各個CAN總線節點之間的電氣隔離。在該系統中高速光耦采用6N137。6N137兼容TTL和COMS電平，可通過信號的寬度為10 MHz，完全可滿足CAN總線信號1 Mb／s通信速率的要求。
2．2 開關量數據采集單元硬件設計
該單元用于采集現場的開關量數據的采集。硬件電路圖如圖4所示。
該單元將采集到的開關量數據傳送到微處理器，并傳送到CAN總線上，然后通過CAN總線智能適配卡轉發給上位機進行處理。外界環境以及電路、器件本身對系統引入了干擾和噪聲，為了提高單片機系統的性能，保證其穩定性，采用光耦器件進行隔離，抑制干擾。光耦器件將電信號轉變為光信號，光信號傳送到接受側再轉換為電信號。由于光信號的傳送不需要共地。可以將光耦器件兩側的地加以隔離。因此在加入光耦器件后，在傳輸信的同時能有效地抑制尖脈沖和各種噪聲干擾，大大提高通道上的信噪比。需要注意的是光耦器件兩端的電源不能共用，否則起不到隔離的作用。
2．3 控制單元硬件設計
該單元用于控制現場外部設備的運行。該單元硬件電路如圖5所示。
該單元是上位機按照預先設定好的程序自動控制輸出，上位機通過CAN總線智能適配卡傳送開關量到CAN總線，然后數據采集和控制模塊根據需要接受CAN總線上的開關量，以控制現場設備。在該單元中，開關量通過單片機的I／O端口輸出，但I／O端口的驅動能力有限，一般不足以驅動繼電器，此時需要添加驅動電路。同時，為了避免單片機受到干擾，在驅動電路設計時，必須采取隔離措施。
3 軟件設計
該系統軟件設計主要分為兩個部分：數據采集與控制模塊程序設計和CAN總線通信程序設計。
3．1 數據采集與控制模塊程序設計
數據采集與控制模塊程序設計流程圖如圖6所示。
3．2 CAN總線通信程序設計
CAN總線通信程序設計分為三個部分：CAN總線初始化、數據發送和數據接收。
(1)CAN總線初始化。CAN總線初始化主要是設置一些通信參數，保證通信的正常進行。初始化主要包括工作方式的設置、驗收濾波方式的設置、驗收屏蔽寄存器和驗收代碼寄存器的設置、波特率參數設置、中斷允許寄存器的設置等。特別需要注意的是，初始化只有在復位模式下才可以進行，因為SJA1000配置信息的寄存器只有在復位模式下才可以進行寫操作。
(2)數據發送。數據發送前，微處理器周期查詢狀態寄存器，查看發送緩沖器是否被鎖定。若沒有鎖定，則把從現場取得的開關量數據發向CAN總線控制器的發送緩沖區，然后啟動CAN總線控制器發送命令，此時CAN總線控制器自動向總線發送數據。數據發送的流程圖如圖7所示。
(3)數據接收。數據接收采用中斷方式。系統中的CAN控制器檢測到總線上有數據時會自動接收總線上的數據，存入其接收緩沖區，并向微控制器發送接收中斷，啟動中斷接收服務程序，通過執行中斷接收服務程序，從CAN控制器的接收緩沖區讀取數據，并對其進行進一步處理工作。數據接收流程圖如圖8所示。
4 結語
通過對系統的軟硬件的反復調試表明，該數據采集和控制系統的設計方案是成功的。該系統能高速有效地采集、傳遞和處理現場數據，并且能在惡劣環境下保證通信速率和極低的出錯率，運行效果很好，體現了CAN總線高性能和高可靠性的優點。