基于CAN總線模塊的網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)的實現(xiàn)-工業(yè)控制
1 引言
CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)采用統(tǒng)一的協(xié)議標準是 CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)集成的方式之一，目前，它還是一個探索性的工作。雖然嵌入式控制的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，但是 CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)采用統(tǒng)一的協(xié)議標準還是一個嶄新的課題。這種方式將成為控制網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)絡(luò)完全集成的最終解決方案。由于分布式控制網(wǎng)絡(luò)采用了面向不同應(yīng)用的協(xié)議標準，因此二者集成時需要某種數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換機制，這將使系統(tǒng)復(fù)雜化，而且也不能確保數(shù)據(jù)的完整性。本文給出了基于 CAN總線模塊的網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)的各個硬件模塊，以及 CAN通信的軟件編程思想。
2 硬件系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)模塊
2.1 分布式測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖 1 基于 CAN總線的分布式測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)擴展 CAN總線模塊，要擔負至少兩個方面的任務(wù)：一是支持現(xiàn)場操作，包括數(shù)據(jù)采集、人機對話等；二是與上級節(jié)點進行數(shù)據(jù)交互，作為網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)的底層設(shè)備。本文針對實驗室的過程控制設(shè)備模擬工業(yè)現(xiàn)場設(shè)計了基于現(xiàn)場總線 CAN的分布式數(shù)字測控卡，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1所示。
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基于 CAN總線的分布式測控卡主要由單片機 C8051F060,輸入/輸出電路、電源電路、人機接口和通信接口幾部分組成。測控卡的工作原理如下：C8051F060單片機是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型 MCU，是數(shù)據(jù)采集與實施控制的理想微型控制器。它集成了兩個 16位、1Msps的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，且?guī)в?DMA控制器 ;集成有兩個 12位數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式；集成有控制器局域網(wǎng)(CAN2.0B)控制器，具有 32個消息對象，每個消息對象有自己的標識掩碼。工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)通過 I/V轉(zhuǎn)換成電壓信號， C8051F060單片機采集此信號后，通過 CAN總線發(fā)送給上級網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，同時上級網(wǎng)絡(luò)節(jié)點下傳的命令和參數(shù)經(jīng) DAC和 V/I轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成 0-20mA的電流信號，控制現(xiàn)場設(shè)備。人機界面提供系統(tǒng)狀態(tài)與操作人員的友好交流平臺，且備用了一路 RS-232異步串行通信總線。
本測控卡的微處理器是新華龍公司生產(chǎn)的單片機 C8051F060，該系列芯片是集成在一塊芯片上的混合信號系統(tǒng)級單片機，其內(nèi)核是與 MCS-51指令集完全兼容的 CIP-51微控制器內(nèi)核，可以使用標準 803x/805x的匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)。
在設(shè)計該測控卡時，為了增加系統(tǒng)的靈活性，將測控卡設(shè)計成了兩塊 PCB插接在一起的方式。C8051F060，JTAG接口及其晶振獨立出來，設(shè)計在一塊板子上稱為核心板，系統(tǒng)的其他應(yīng)用設(shè)計在另一塊板子上稱為應(yīng)用板。核心板已構(gòu)成了最簡單片機系統(tǒng)，可以在不需要外圍電路的基礎(chǔ)進行程序的下載和調(diào)試；而應(yīng)用板則可根據(jù)系統(tǒng)的需要靈活設(shè)計外圍電路，這樣，對于不同系統(tǒng)的應(yīng)用需要只需修改應(yīng)用板就可以了。
2.2 JTAG調(diào)試接口與晶振電路
在 C8051F系列單片機片內(nèi)都有一個 JTAG接口和邏輯，在上位機軟件的支持下，PC機通過 JTAG接口直接對控制系統(tǒng)進行在系統(tǒng)仿真調(diào)試。它不僅支持 FLASH ROM的讀/寫操作以及非侵入式在系統(tǒng)調(diào)試，而且還為 JTAG邏輯在系統(tǒng)測試提供了邊界掃描功能。 C8051F系列單片機上的四個引腳 TDI, TDO, TMS, TCK與調(diào)試工具串口適配器(RS232到 JTAG的接口模塊)直接相連，進行程序的下載和調(diào)試。圖 2 (a)是 JTAG調(diào)試接口。
C8051F060單片機包括一個可編程內(nèi)部振蕩器和外部振蕩器驅(qū)動電路，系統(tǒng)可以由外部振蕩器電路或內(nèi)部振蕩器分頻提供。系統(tǒng)復(fù)位后可編程內(nèi)部振蕩器被默認為系統(tǒng)時鐘，且對應(yīng) 24.5MHz的基頻。而外部振蕩器電路可以驅(qū)動外部晶體、陶瓷諧振器、電容或 RC網(wǎng)絡(luò)，也可以使用一個外部 CMOS時鐘提供系統(tǒng)時鐘。為了使串行通信接口的波特率精確更高，本測控卡使用了外部 11.0592MHz的晶振，并可用 l0MΩ電阻并聯(lián)到晶振的兩端，使系統(tǒng)更容易起振，如圖 3(b)所示。
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