如何設計基于DSP的分析儀器CAN網(wǎng)絡通信系統(tǒng)？

0　引言

現(xiàn)代流程工業(yè)中，多組分分析儀器成為必不可少的環(huán)節(jié)。常用的在線分析儀器有工業(yè)色譜儀、光譜分析儀等。工業(yè)色譜儀在流程工業(yè)生產(chǎn)和環(huán)保領域得到廣泛應用，但是其分析周期長，不易實現(xiàn)直接質量控制;拉曼光譜分析儀分析周期短精度高，但是成本太高，所以尚未被推廣。因此，實驗室研制開發(fā)了基于80C196和DSP的多組分氣體分析平臺，通過不同傳感器的組合對樣品中不同組分進行檢測，實現(xiàn)了分析周期短、精度高，成本低等目標的統(tǒng)一。由于每臺組合式分析儀器一般只能分析2-4個組分，為了實現(xiàn)更多組分的測量，同時實現(xiàn)各個分析儀器之間或分析儀器與上位機之間信息的交互，這就有必要構建基于多組分氣體分析平臺的CAN總線網(wǎng)絡。

CAN(Controll　Area　Network)是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，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時控制，并且具有很高的安全性和高達1Mbps的通信速率。由于CAN具有多主站控制、無破壞性總線仲裁、可靠的檢錯和重發(fā)機制以及故障節(jié)點的判斷和自動脫離等等顯著優(yōu)點，在富含噪聲和其他要求苛刻的環(huán)境中得到越來越廣泛的應用，而且其應用領域也在不斷的擴大[1]。

1分析儀器網(wǎng)絡結構

多組分氣體分析平臺基于過程分析儀器系統(tǒng)的物流和信息兩通道所需的基本共性功能，系統(tǒng)采用模塊化設計。各硬件模塊具有獨立結構，可適應不同分析傳感器及其組合以及預處理裝置的選擇要求;軟件系統(tǒng)則為檢測信號的數(shù)據(jù)處理、儀器的自動診斷、自動標定的操作控制以及為與DCS間的信息通信提供支持[2]。

分析平臺采用TMS320F2812作為處理器。TMS320F2812是TI公司推出的一款用于控制領域的高性能32位數(shù)字信號處理器，適用于實時數(shù)據(jù)處理，并集成了豐富的外設，如片上12位模數(shù)轉換器(ADC)、SPI、eCAN等功能模塊，可以方便地進行功能擴展。平臺由數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、開關量輸入輸出模塊、人機交互模塊以及通訊接口組成。

根據(jù)現(xiàn)場情況，通過不同傳感器的組合對樣品中不同組分進行檢測，配合相應的軟件實現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)處理方法，構成組合式分析儀器，每臺分析儀器可檢測2-4個組分。此處我們以兩臺分析儀器為例，每臺能檢測兩個組分，一臺檢測CO2和O2，另一臺檢測SO2和CO，與上位機一起構建CAN通信網(wǎng)絡。

CAN網(wǎng)絡系統(tǒng)一般由上位機、CAN適配卡、若干節(jié)點以及CAN總線構成。由于PC機上有多條擴展槽，利用局域網(wǎng)絡通信卡，使得該系統(tǒng)很容易與其他生產(chǎn)管理部門聯(lián)網(wǎng)，便于統(tǒng)一調度和管理;另外，選用PC機還可以充分利用現(xiàn)有的軟件工具和開發(fā)環(huán)境，方便快捷地設計功能豐富的計算機軟件，所以此處上位機我們選用通用PC機。

CAN適配卡我們選用的是北京科日新工控的KPCI-8110光隔非智能CAN總線通訊卡，符合ISO/ISO11898國際標準，滿足2.0B(PeliCAN)兼容CAN2.0A通信協(xié)議，通訊距離最長達10km，傳輸速率最高達1Mbps?；诙嘟M分氣體分析平臺的組合式分析儀器做為CAN智能節(jié)點?？偩€上的信息傳輸遵守CAN通信協(xié)議，通信介質采用雙絞線即可。

系統(tǒng)總體結構圖如下所示：

圖1　基于分析儀器的CAN網(wǎng)絡結構圖

2　CAN總線通信協(xié)議

CAN技術規(guī)范版本2.0包括兩部分內容：版本2.0A描述CAN技術規(guī)范1.2中定義的CAN報文格式;版本2.0B描述標準和擴展格式兩種報文格式。為了同CAN技術規(guī)范2.0兼容，要求CAN執(zhí)行既同版本2.0A，也同版本2.0B兼容。

鑒于我們目前所要傳輸?shù)膬热輧H限于檢測結果，同時考慮到現(xiàn)場需要網(wǎng)絡中可能連接的智能節(jié)點的個數(shù)，采用標準報文格式完全能夠滿足我們的要求。

CAN技術規(guī)范版本2.0B中，數(shù)據(jù)幀由7個不同的位場組成：即幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC場、應答場、幀結束。數(shù)據(jù)幀格式如下所示[3]：

圖2　CAN2.0B數(shù)據(jù)幀格式

分析儀器主控制器F2812　DSP片上共有32個郵箱，在SCC模式下0-15郵箱可用，在eCAN模式下，32個郵箱全部可用，而且與2407不同的是，F(xiàn)2812可以發(fā)送和存儲包括報文ID在內的所有幀信息。所以我們只需對標準標識符的位進行分配，而不用定義數(shù)據(jù)字節(jié)，即可滿足上位機和主節(jié)點識別幀來源和幀意義的要求。對標準標識符的分配如下表所示：

表1　標識符分配

3　通信程序設計

若想實現(xiàn)CAN網(wǎng)絡的正常通信，必須保證各通信節(jié)點的波特率和標識符都定義得一致。由于KPCI-8110使用獨立的CAN控制器SJA1000，而智能節(jié)點多組分氣體分析平臺中使用微處理器DSP中內置的CAN控制器，各自寄存器的定義和分配不盡相同，所以數(shù)據(jù)幀格式的定義方法也不一樣，在編寫初始化和通信程序時要特別注意寄存器的定義和分配。

3.1智能節(jié)點端

為了實現(xiàn)各個節(jié)點信息的同步，考慮把智能節(jié)點中的一個做為主節(jié)點，其他節(jié)點做為從節(jié)點。主節(jié)點先收集所有從節(jié)點的數(shù)據(jù)，再把所有的數(shù)據(jù)一起發(fā)送給上位機。

做為CAN網(wǎng)絡的智能節(jié)點，組合式分析儀器采用內置了CAN模塊的F2812做為微處理器，從硬件上來講，外接一個CAN收發(fā)器就可以方便地掛接到CAN總線上，從軟件設計上來講，由于F2812強大的寄存器功能，也可以很容易地實現(xiàn)CAN模塊的初始化以及信息的發(fā)送和接收。

智能節(jié)點的編程采用C語言與匯編語言相結合的方式，采用結構化程序設計方案，可讀可移植性好。流程如圖3所示。程序設計的重點在于CAN模塊的初始化和中斷程序的調用。