基于嵌入式和CAN总线的测控系统设计

　　随着网络技术的不断发展，Internet把世界上分散的计算机系统、通信系统实现了互连，形成了共用数据网络，成功的实现了网络资源共享。而CAN总线技术使得控制系统向着分散化、网络化、智能化的方向发展，使控制技术与计算机以及网络技术更为紧密的结合在一起。随着CAN总线控制网络的进一步发展，控制网络与因特信息网络的结合，方便了对设备的远程监控、诊断和维护。

　　2 系统模型概述

　　本设计采用在CAN总线控制网络和因特网之间加入一个转换接口。这种方式是通过硬件来实现的，即在底层网络与中间监控层之间加入中继器、网桥、路由器等专门的硬件设备，使控制网络作为信息网络的扩展与之紧密集成。硬件设备可以是一台专门的计算机，依靠其中运行的软件完成数据包的识别、解释和转换；对于多个网段的应用，它还可以在不同网段之间存储转发数据包，起到网桥的作用。

　　转换接口的集成方式功能较强，但实时性较差。信息网络一般是采用TCP/IP的因特网，而TCP/IP没有考虑数据传输的实时性，当CAN设备有大量信息上传或远程监控操作频繁时，转换接口都将成为实时通信的瓶颈。但是随着因特网技术进一步发展，这个瓶颈问题将逐步得到解决。

　　3测控系统工作原理及组成

　　本系统采用C8051F060单片机作为控制网络层的核心控制器，采用三星公司的S3C2410嵌入式微处理器设计信息网络，将工业现场设备和远程服务器、工作站连为一体，构建了体积轻巧、功能强大、方便灵活的企业网络。

　　3.1系统方案

　　本系统由信息网络层和控制网络层两部分组成。信息网络层是基于S3C2410的ARM系统，运行着TCP/IP协议和现场总线CAN协议；控制网络层是基于C8051F060的控制网络测控系统，它直接与工业测控设备联系，负责测量、调节现场参数，将测量结果通过CAN送给ARM，或是接收ARM下传的数据调控现场设备。论文对CAN总线控制网络和因特网进行了深入研究，提出在提高信息网络协议标准的实时性和兼容性的基础上，从底层设备到远程监控系统都使用统一的协议标准的设计方案，以确保信息准确、快速、完整传输。本方案的优点是价格低廉、功能强大、方便灵活。整个系统的示意图如1所示。

　　3.2信息网络部分

　　信息网络要对控制系统的底层控制参数进行决策，因此信息网络在控制系统中扮演着重要的角色。一方面它要和远程PC通信，另一方面它还要和控制网络层的单片机通信，起着连接PC和工业现场智能设备的桥梁作用。

　　信息网络层采用的S3C2410，是韩国三星电子公司最近推出的一款基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式微处理器。该处理器主要面向手持式设备以及高性价比、低功耗的应用。S3C2410内部结构较复杂，提供可扩展的功能模块也较多，如图2所示。

　　3.3控制网络部分

　　网络测控系统扩展CAN总线模块，要担负至少两个方面的任务：一是支持现场操作，包括数据采集、人-机对话等；二是与上级节点进行数据交互，作为网络测控系统的底层设备，系统结构框图如图3所示。

　　基于CAN总线的分布式测控卡主要由单片机C8051F060、输入/输出电路、电源电路、人-机接口和通信接口（包括RS-232和CAN总线接口）几部分组成。测控卡的工作原理如下：C8051F060单片机是完全集成的混合信号片上系统型MCU，是数据采集与实施控制的理想微型控制器。它集成了两个16位、1Msps的模拟/数字转换器，且带有DMA控制器；集成有两个12位数字/模拟转换器，具有可编程数据更新方式；集成有控制器局域网（CAN2.0B）控制器，具有32个消息对象，每个消息对象有自己的标识掩码。工业现场设备的状态参数通过I/V转换成电压信号，C8051F060单片机采集此信号后，通过CAN总线发送给上级网络节点，同时上级网络节点下传的命令和参数经DAC和V/I转换电路转换成0~20mA的电流信号，控制现场设备。人-机界面提供系统状态与操作人员的友好交流平台，且备用了一路RS-232异步串行通信总线。

　　4 信息网络和控制网络之间的通信

CAN与Internet是采用不同通信协议的两种异构网络。首先，CAN通信基于报文，无需为每个节点设定一个独立且唯一的地址。它采用标识符来表明报文的内容，CAN节点接受到一个报文时，通过基于标识符的滤波机制来决定处理或抛弃该报文。而Internet上的IP数据包传输是面向连接的，基于节点地址来传送，Internet上的每一个节点都必须设定一个唯一点IP地址。其次，CAN与Internet采用不同的冲突仲裁机制。CAN采用的是无破坏性仲裁机制，当多个节点同时向总线发送数据造成媒体访问冲突时，优先级较高的报文不受影响地继续发送，而优先级较低的报文会自动停止，并等待总线空闲时再