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論基于CAN總線與以太網互聯的實時溫度和濕度監(jiān)控系統(tǒng)的研究
CAN(Controller area network)即控制器局域網，是國際上應用最廣泛的現場總線之一。起先CAN-bus被設計作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊，在車載的各電子控制裝置(ECU)之間交換信息形成汽車電子控制網絡。作為一種技術先進、可靠性高、功能完善、成本合理的遠程網絡通訊控制方式，CAN-bus已被廣泛應用于各個自動化控制系統(tǒng)中。
從高速的網絡到低價位的多路接線都可以使用CAN-bus。例如，在自動控制、智能大廈、電力系統(tǒng)、安防監(jiān)控等各領域，CAN-bus都具有不可比擬的優(yōu)越性。工業(yè)控制系統(tǒng)的分布化、智能化、信息化發(fā)展，要求企業(yè)從現場控制層到管理層實現全面無縫信息集成。工業(yè)以太網滿足這一要求，實現了工業(yè)控制網絡與企業(yè)信息網絡的無縫連接，成為控制網絡發(fā)展的主要方向，為全分散智能控制網絡系統(tǒng)實現遠程控制提供了可能[1]。本文作者主要介紹基于CAN總線與以太網互聯的實時溫度、濕度監(jiān)控系統(tǒng)，從而實現監(jiān)控設備的網絡化和智能化。
1、系統(tǒng)介紹
1.1 CAN總線與互聯網互聯的發(fā)展狀況CAN總線是一種有效支持分布式控制的串行通信網絡，是德國BOSCH公司從20世紀80年代初為解決現代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而設計的一種串行數據通信協(xié)議，歷經技術規(guī)范2.0A和2.0B后已形成CAN國際標準(ISO11898)
CAN遵循OSI模型，按照OSI基準模型，CAN機構分為2層：數據鏈路層和物理層。按照IEEE802.2和802.3標準，數據鏈路層又劃分為邏輯鏈路控制層(LLC)和媒體訪問控制層(MAC);物理層又劃分為物理信令層(PLS)、物理媒體附屬裝置層(PMA)和媒體相關接口層(MDI)。由于CAN具有獨特的優(yōu)點，使得它在工業(yè)領域中得到廣泛應用。
目前，基于CAN總線獲得廣泛應用的應用層協(xié)議有DeviceNet和CANOpen等。CAN具有以下主要特點[2]：(1)CAN為多主工作方式，網絡上任一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網絡上其他節(jié)點送信息，而不分主從;
(2)在報文標識符上，CAN上的節(jié)點分成不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實時要求;
(3)CAN采用非破壞總線仲裁技術。當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息出現沖突時，優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數據，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間;(4)CAN節(jié)點只需通過對報文標識符濾波即可實現點對點、一對多點及全局廣播幾種方式傳送接收數據;(5)CAN報文采用短幀結構，傳輸時間短，受干擾概率低，保證了數據出錯率極低;
(6)CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響。
現場總線網絡與工業(yè)以太網的結合使得企業(yè)的管理可以深入到測控現場，在這種互聯方式下，由以太網構建信息網，通過兩者的有機聯接，從而構成一個中型/大型的遠程監(jiān)控/數據傳輸網絡[3]。
1.2系統(tǒng)架構系統(tǒng)由溫度、濕度測控器、CAN以太網通信轉換器、服務器和客戶端組成，如圖1所示。
溫度、濕度測控器主要負責現場溫度、濕度數據的采集、處理、控制、顯示、報警以及通過CAN總線與通信轉換器進行數據交換。
CAN、以太網通信轉換器主要負責CAN總線數據的發(fā)送和接收，并將CAN的數據通過局域網發(fā)送到服務器上。
服務器負責監(jiān)控結果數據的存儲和報表的存儲，同時，向客戶端提供訪問服務。
客戶端通過瀏覽器上因特網訪問服務器上的數據并進行通信和控制。
2、硬件設計溫度、濕度測控器主要分為數據采集、控制和CAN總線通訊3部分
溫度、濕度測控器的溫度、濕度傳感器采用瑞士圖2溫度、濕度測控器的硬件框圖Fig.2 Structure of temperature and humidity controllerSENSIRION公司的SHT10，傳感器包括1個電容式聚合體測濕元件和1個能隙式測溫元件，并與1個14位A/D轉換器以及串行接口電路在同一芯片上實現無縫連接。SHT10具有超快響應、抗干擾能力強等優(yōu)點。
每個SHT10傳感器都在極精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數以程序的形式儲存在OTP內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數。兩線制串行接口和內部基準電壓，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。溫度、濕度測控器的MCU采用微芯公司的PIC18F2580，它是整個溫度、濕度測控器的運算控制單元，它采用16位的RISC指令系統(tǒng)、哈佛總線結構、兩級流水線取指等技術，具有32 KB快閃存內存、4 KB的RAM、片內看門狗、內部EEPROM、CAN控制器等豐富的片內資源，抗抗干擾性能強，功耗低，速度高[4]。PIC18F2580主要負責數據采集與控制，并與通信轉換層適配器進行實時CAN總線數據的通信。
CAN與以太網通信轉換層硬件框圖如圖3所示，它的處理器采用NXP公司的ARM7TDMI-S核的單片機LPC2378，是一款支持實時仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU，處理器時鐘高達72MHz。片內含有高達512 KB的片內Flash和58 KB的片內SRAM存儲器，具有強大的通信接口：10/100M以太網媒體訪問控制器(MAC)，2路CAN-bus接口。
增強型外設4個32位捕獲/比較定時器、1個帶有2 KB電池SRAM的低功耗實時時鐘、看門狗定時器和1個片內4 MHz的RC振蕩器。LPC2378的強大功能為CAN和以太網的通信轉換帶來了極大方便[5]。
3、軟件設計軟件設計的對象主要包括3部分：溫度、濕度測控器的檢測控制和CAN通信，CAN以太網通信轉換，B/S平臺。
3.1溫度、濕度測控器的軟件設計溫度、濕度測控器的軟件流程
它主要包括初始化子程序、CAN數據的接收和發(fā)送程序、顯示程序、鍵盤掃描程序、控制程序。CAN數據的接收和發(fā)送對實時性要求比較高，故采用中斷方式進行處理。微處理器PIC18F2580在程序開始首先要對CAN控制器模塊進行初始化。主要通過測控器本身的地址標識的讀取來對CAN控制器的過濾器和屏蔽器進行配置。屏蔽器用于確定標識符中的哪一位被過濾器檢查，這樣，一旦1條有效的信息被信息緩沖器MAB接收，信息的標識符區(qū)域將與過濾器值相比較，若相匹配，則信息將被裝入接收緩沖器。微控制器收到CAN數據后，根據相應命令進行相應動作，如設置相應報警溫度濕度、執(zhí)行相應控制等，然后，做出相應的應答。
控制程序主要是通過串行接口對SHT10進行數據讀取，并把讀取數據與設定數據進行比較，運用bang-bang控制通過驅動電路控制中央空調，使得房間保持一定的溫度和濕度。3.2 CAN與以太網通信轉換軟件設計3.2.1 LPC2378的CAN控制器與CAN總線間的數據傳輸LPC2378的CAN控制器帶有1個完整的發(fā)送和接收緩沖器串行接口，它是1個雙重接收緩沖器，有了這個雙重的接收緩沖器，芯片可以在對1個報文進行處理時，可接收另一個報文，但它不含有驗收濾波器。驗收濾波器是獨立的器件，它對所有CAN通道進行CAN標識符過濾。
數據從CAN控制器發(fā)送到CAN總線由CAN控制器自動完成。發(fā)送程序采用中斷方式，中斷方式發(fā)送程序分為發(fā)送主程序和中斷服務程序。主程序用于控制信息的發(fā)送，中斷服務程序負責發(fā)送臨時存儲區(qū)中的暫存信息。中斷流程圖見圖5。
μC/OS-Ⅱ是一個包含時間管理、任務調度等基本功能的小型、輕量級的嵌入式實時操作系統(tǒng)的內核，而且LPC2378是基于ARMTDMI的ARM的內核，其內核與存儲器結構都很適合操作系統(tǒng)的運行[6]。
以太網控制器采用uC/IP的協(xié)議棧，主要使用TCP/IP協(xié)議。TCP/IP是面向連接的協(xié)議，它在2個TCP之間創(chuàng)建1條虛連接，TCP在運輸層使用流量控制和差錯控制機制來保證數據的可靠性[7]。TCP提供全雙工服務，即數據可在同一時間雙向流動�？刂破髯鳛榭蛻舳税l(fā)起連接。通過TCP/IP數據的收發(fā)中斷見圖6。
對于TCP數據包，LCP2378取出數據，并存入數據區(qū)，對數據進行相應分析后，通過CAN控制器發(fā)到CAN總線上，對于從CAN總線上接收的數據，同樣存入相應數據區(qū)，將數據按照TCP/IP進行封裝發(fā)送。
圖6與以太網通信的中斷方式的數據收發(fā)Fig.6 Data exchange with Ethernet through Interruption4實驗測試系統(tǒng)研制成功后，與多個帶有32個節(jié)點CAN總線子網系統(tǒng)和以太網環(huán)境中進行測試。主要針對TCP/IP協(xié)議和CAN協(xié)議的數據通信實現對其性能和穩(wěn)定性進行驗證。圖7所示為使用ZLGCANTest工具監(jiān)測到的數據截圖。
圖7 CAN總線數據截圖Fig.7 CAN field bus screenshot整個系統(tǒng)正式投入運行后，到目前為止已經投入運行半年時間，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，沒有出現數據丟失或者由于總線沖突導致的節(jié)點自動脫離總線的現象。
4、結論
(1)所設計的基于CAN總線與以太網互聯的實時溫度、濕度監(jiān)控系統(tǒng)在某數據中心得到應用，系統(tǒng)中采用的底層使用CAN總線通信，中間層使用以太網通信，上層通過服務器與因特網連接，經過長時間的測試和運行，并與其他通信方式相比較，CAN總線通信方式穩(wěn)定性良好，可靠性高。
(2)由于原數據中心測控裝置分布較分散，房間數量多，導致房間溫度、濕度控制不穩(wěn)定甚至導致事故發(fā)生。采用該系統(tǒng)以后，不僅所有的房間溫度、濕度可以乾地遠程實時監(jiān)控，而且整個測控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準確性大大提高。
(3)實踐證明，基于CAN總線與以太網互聯的實時監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)是可行的，符合未來監(jiān)控技術的發(fā)展趨勢。另外，該系統(tǒng)也可以應用于其他需要實時監(jiān)控的領域。
參考文獻：
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