基于DSP的分析儀器CAN網絡通信系統

　　０　引言

　　現代流程工業中，多組分分析儀器成為*的環節。常用的在線分析儀器有工業色譜儀、光譜分析儀等。工業色譜儀在流程工業生產和環保領域得到廣泛應用，但是其分析周期長，不易實現直接質量控制；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，實現了分析周期短、精度高，成本低等目標的統一。由于每臺組合式分析儀器一般只能分析２－４個組分，為了實現更多組分的測量，同時實現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總線網絡。

　　ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）是上應用zui廣泛的現場總線之一，使用了一種串行多控制方通信協議，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、可靠的檢錯和重發機制以及故障節點的判斷和自動脫離等等顯著優點，在富含噪聲和其他要求苛刻的環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分析儀器網絡結構

　　多組分氣體分析平臺基于過程分析儀器系統的物流和信息兩通道所需的基本共性功能，系統采用模塊化設計。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；軟件系統則為檢測信號的數據處理、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位數字信號處理器，適用于實時數據處理，并集成了豐富的外設，如片上１２位模數轉換器（ＡＤＣ）、ＳＰＩ、ｅＣＡＮ等功能模塊，可以方便地進行功能擴展。平臺由數據采集模塊、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。

　　根據現場情況，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不同的數據處理方法，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通信網絡。

　　ＣＡＮ網絡系統一般由上位機、ＣＡＮ適配卡、若干節點以及ＣＡＮ總線構成。由于ＰＣ機上有多條擴展槽，利用局域網絡通信卡，使得該系統很容易與其他生產管理部門聯網，便于統一調度和管理；另外，選用ＰＣ機還可以充分利用現有的軟件工具和開發環境，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標準，滿足２．０Ｂ（ＰｅｌｉＣＡＮ）兼容ＣＡＮ２．０Ａ通信協議，通訊距離zui長達１０ｋｍ，傳輸速率zui高達１Ｍｂｐｓ。基于多組分氣體分析平臺的組合式分析儀器做為ＣＡＮ智能節點。總線上的信息傳輸遵守ＣＡＮ通信協議，通信介質采用雙絞線即可。

　　系統總體結構圖如下所示：

　　圖１　基于分析儀器的ＣＡＮ網絡結構圖

　　２　ＣＡＮ總線通信協議

　　ＣＡＮ技術規范版本２．０包括兩部分內容：版本２．０Ａ描述ＣＡＮ技術規范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技術規范２．０兼容，要求ＣＡＮ執行既同版本２．０Ａ，也同版本２．０Ｂ兼容。

　　鑒于我們目前所要傳輸的內容于檢測結果，同時考慮到現場需要網絡中可能連接的智能節點的個數，采用標準報文格式完夠滿足我們的要求。

　　ＣＡＮ技術規范版本２．０Ｂ中，數據幀由７個不同的位場組成：即幀起始、仲裁場、控制場、數據場、ＣＲＣ場、應答場、幀結束。數據幀格式如下所示［３］：

　　圖２　ＣＡＮ２．０Ｂ數據幀格式

　　分析儀器主控制器Ｆ２８１２　ＤＳＰ片上共有３２個，在ＳＣＣ模式下０－１５可用，在ｅＣＡＮ模式下，３２個全部可用，而且與２４０７不同的是，Ｆ２８１２可以發送和存儲包括報文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，而不用定義數據字節，即可滿足上位機和主節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ＣＡＮ網絡的正常通信，必須保證各通信節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，所以數據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智能節點端

　　為了實現各個節點信息的同步，考慮把智能節點中的一個做為主節點，其他節點做為從節點。主節點先收集所有從節點的數據，再把所有的數據一起發送給上位機。

　　做為ＣＡＮ網絡的智能節點，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ＣＡＮ模塊的初始化以及信息的發送和接收。

　　智能節點的編程采用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。

　　圖３　智能節點程序流程圖

　　智能節點端ＣＡＮ模塊初始化（流程圖如圖４所示［４］）主要包括三個方面的內容：波特率的配置、分配（包括方向、標識符分配等）、中斷寄存器初始化。波特率和標識符的分配非常重要，是ＣＡＮ網絡通信成功的關鍵所在。Ｆ２８１２內置ＣＡＮ控制器使用位時序配置寄存器ＣＡＮＢＴＣ中的ＢＲＰ、ＴＳＥＧ１和ＴＳＥＧ２來設置波特率，計算公式為：ＳＹＳＣＬＫ／（ＢＲＰ＋１）×［（ＴＳＥＧ１ｒｅｇ＋１）＋（ＴＳＥＧ２ｒｅｇ＋１）＋１］，此處我們采用的晶振頻率為３０ＭＨＺ，系統倍頻為１／２，ＢＲＰ＝９，ＴＳＥＧ１＝１０，ＴＳＥＧ２＝２，因此波特率為１００Ｋｂｐｓ。標識符就根據表１的描述來確定。

　　圖４　智能節點ＣＡＮ模塊初始化流程圖

　　中斷程序中主要對從節點傳送的數據進行處理，然后轉存到主節點的發送中，等待發送給上位機。在進行數據處理的時候要把接收中的數據賦給中間變量，處理完后再把中間變量的值賦給發送，這個過程中要注意借助指針來完成。如下所示：

　　Ｍａｉｌｂｏｘ　＝　＆ＥＣａｎａＭｂｏｘｅｓ．ＭＢＯＸ０　＋　ｎ；　　　／／　ｎ為號

　　ｒｅｃｅｉｖｅｂｏｘｌ　＝　Ｍａｉｌｂｏｘ－＞ＭＤＲＬ．ａｌｌ；

　　ｒｅｃｅｉｖｅｂｏｘｈ　＝　Ｍａｉｌｂｏｘ－＞ＭＤＲＨ．ａｌｌ；

　　３．２上位機端

　　ＰＣ機端主要完成對各分析平臺分析結果的采集、處理，采用適合快速開發的面向對象語言ＶＢ來編寫。ＫＰＣＩ－８１１０ＣＡＮ適配卡提供．ｄｌｌ驅動和．ｌｉｂ庫函數，通過在ＶＢ程序中調用相關的驅動函數就可以實現ＣＡＮ適配卡的配置和數據的讀寫。數據的處理主要完成對各組分檢測結果中干擾背景氣的去除以及單位換算等工作。

　　上位機在接收主節點傳送過來的數據時，在ＳＪＡ１０００　ＣＡＮ控制器采用單濾波器模式，只接收在界面中輸入的組分的數據。濾波規則為：驗收代碼位（ＡＣＲ．７－ＡＣＲ．０）和信息識別碼（標識符）的高８位（ＩＤ．１０－ＩＤ．３）相等，且與驗收屏蔽位（ＡＭＲ．７－ＡＭＲ．０）的相應位相或為１［５］。例如，在上位機接收界面中輸入組分名“ｃｏ２”，運行程序時就會把“ｃｏ２”對應的一組驗收代碼值和驗收屏蔽值初始化為驗收濾波器的預設值。為了具有通用性，把驗收屏蔽碼設為ＡＣＲ　ｘｏｒ　＆ＨＦＦ。

　　由于ＳＪＡ１０００ＣＡＮ控制器每個地址存儲８位的數據，而Ｆ２８１２內置ＣＡＮ控制器每個地址存儲１６位的數據而且標準數據幀的標識符也不是從字節的起始位開始的，所以定義標識符的時候要按照不同控制器的要求來定義。例如Ｆ２８１２內置ＣＡＮ控制器定義數據幀標識符為１１４４　００００（ｂｉｔ２８－ｂｉｔ１８為標識符位），ＳＪＡ１０００獨立控制器對應的標識符應為８Ａ２０（ｂｉｔ１５－ｂｉｔ５為標識符位）。．

　　下圖為自己開發的接收界面成功接收到數據：

　　圖５　上位機接收界面

　　４ 結論

　　該通信系統在試驗中得到了良好的效果，滿足了多組分分析儀器的設計要求。數字化在線分析儀器作為網絡神經元，有機地融入網絡系統，實現信息實時傳輸、遠程故障診斷是分析儀器的發展趨勢，也是工業化和信息化的發展趨勢。