基于DSP的分析儀器CAN網(wǎng)絡(luò)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(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但是其分析周期長(zhǎng)，不易實(shí)現(xiàn)直接質(zhì)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(shí)驗(yàn)室研制開發(fā)了基于８０Ｃ１９６和ＤＳＰ的多組分氣體分析平臺(tái)，通過不同傳感器的組合對(duì)樣品中不同組分進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了分析周期短、精度高，成本低等目標(biāo)的統(tǒng)一。由于每臺(tái)組合式分析儀器一般只能分析２－４個(gè)組分，為了實(shí)現(xiàn)更多組分的測(cè)量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)各個(gè)分析儀器之間或分析儀器與上位機(jī)之間信息的交互，這就有必要構(gòu)建基于多組分氣體分析平臺(tái)的ＣＡＮ總線網(wǎng)絡(luò)。

　　ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）是國(guó)際上應(yīng)用廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，使用了一種串行多???制方通信協(xié)議，可以有效地支持分布式實(shí)時(shí)控制，并且具有很高的**性和高達(dá)１Ｍｂｐｓ的通信速率。由于ＣＡＮ具有多主站控制、無(wú)破壞性總線仲裁、可靠的檢錯(cuò)和重發(fā)機(jī)制以及故障節(jié)點(diǎn)的判斷和自動(dòng)脫離等等顯著優(yōu)點(diǎn)，在富含噪聲和其他要求苛刻的環(huán)境中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，而且其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷的擴(kuò)大［１］。

　　１分析儀器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　多組分氣體分析平臺(tái)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(shè)計(jì)。各硬件模塊具有獨(dú)立結(jié)構(gòu)，可適應(yīng)不同分析傳感器及其組合以及預(yù)處理裝置的選擇要求；軟件系統(tǒng)則為檢測(cè)信號(hào)的數(shù)據(jù)處理、儀器的自動(dòng)診斷、自動(dòng)標(biāo)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(tái)采用ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２作為處理器。ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２是ＴＩ公司推出的一款用于控制領(lǐng)域的高性能３２位數(shù)字信號(hào)處理器，適用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，并集成了豐富的外設(shè)，如片上１２位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ＡＤＣ）、ＳＰＩ、ｅＣＡＮ等功能模塊，可以方便地進(jìn)行功能擴(kuò)展。平臺(tái)由數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、開關(guān)量輸入輸出模塊、人機(jī)交互模塊以及通訊接口組成。

　　根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，通過不同傳感器的組合對(duì)樣品中不同組分進(jìn)行檢測(cè)，配合相應(yīng)的軟件實(shí)現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)處理方法，構(gòu)成組合式分析儀器，每臺(tái)分析儀器可檢測(cè)２－４個(gè)組分。此處我們以兩臺(tái)分析儀器為例，每臺(tái)能檢測(cè)兩個(gè)組分，一臺(tái)檢測(cè)ＣＯ２和Ｏ２，另一臺(tái)檢測(cè)ＳＯ２和ＣＯ，與上位機(jī)一起構(gòu)建ＣＡＮ通信網(wǎng)絡(luò)。

　　ＣＡＮ網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一般由上位機(jī)、ＣＡＮ適配卡、若干節(jié)點(diǎn)以及ＣＡＮ總線構(gòu)成。由于ＰＣ機(jī)上有多條擴(kuò)展槽，利用局域網(wǎng)絡(luò)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(diào)度和管理；另外，選用ＰＣ機(jī)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(shè)計(jì)功能豐富的計(jì)算機(jī)軟件，所以此處上位機(jī)我們選用通用ＰＣ機(jī)。

　　通信協(xié)議，通信介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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，滿足２．０Ｂ（ＰｅｌｉＣＡＮ）兼容ＣＡＮ２．０Ａ通信協(xié)議，通訊距離長(zhǎng)達(dá)１０ｋｍ，傳輸速率高達(dá)１Ｍｂｐｓ。基于多組分氣體分析平臺(tái)的組合式分析儀器做為ＣＡＮ智能節(jié)點(diǎn)。總線上的信息傳輸遵守ＣＡＮ質(zhì)采用雙絞線即可。

　　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如下所示：

　　圖１　基于分析儀器的ＣＡＮ網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

　　２　ＣＡＮ總線通信協(xié)議

　　ＣＡＮ技術(shù)規(guī)范版本２．０包括兩部分內(nèi)容：版本２．０Ａ描述ＣＡＮ技術(shù)規(guī)范１．２中定義的ＣＡＮ報(bào)文格式；版本２．０Ｂ描述標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展格式兩種報(bào)文格式。為了同ＣＡＮ技術(shù)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?nèi)容**于檢測(cè)結(jié)果，同時(shí)考慮到現(xiàn)場(chǎng)需要網(wǎng)絡(luò)中可能連接的智能節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，采用標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文格式完全能夠滿足我們的要求。

　　ＣＡＮ技術(shù)規(guī)范版本２．０Ｂ中，數(shù)據(jù)幀由７個(gè)不同的位場(chǎng)組成：即幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)、ＣＲＣ場(chǎng)、應(yīng)答場(chǎng)、幀結(jié)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(gè)郵箱，在ＳＣＣ模式下０－１５郵箱可用，在ｅＣＡＮ模式下，３２個(gè)郵箱全部可用，而且與２４０７不同的是，Ｆ２８１２可以發(fā)送和存儲(chǔ)包括報(bào)文ＩＤ在內(nèi)的所有幀信息。所以我們只需對(duì)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符的位進(jìn)行分配，而不用定義數(shù)據(jù)字節(jié)，即可滿足上位機(jī)和主節(jié)點(diǎn)識(shí)別幀來(lái)源和幀意義的要求。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符的分配如下表所示：

　　表１　標(biāo)識(shí)符分配

　　３　通信程序設(shè)計(jì)

　　若想實(shí)現(xiàn)ＣＡＮ網(wǎng)絡(luò)的正常通信，必須保證各通信節(jié)點(diǎn)的波特率和標(biāo)識(shí)符都定義得一致。由于ＫＰＣＩ－８１１０使用獨(dú)立的ＣＡＮ控制器ＳＪＡ１０００，而智能節(jié)點(diǎn)多組分氣體分析平臺(tái)中使用微處理器ＤＳＰ中內(nèi)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(shí)要特別注意寄存器的定義和分配。

　　３．１智能節(jié)點(diǎn)端

　　為了實(shí)現(xiàn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息的同步，考慮把智能節(jié)點(diǎn)中的一個(gè)做為主節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)做為從節(jié)點(diǎn)。主節(jié)點(diǎn)先收集所有從節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，再把所有的數(shù)據(jù)一起發(fā)送給上位機(jī)。

　　做為ＣＡＮ網(wǎng)絡(luò)的智能節(jié)點(diǎn)，組合式分析儀器采用內(nèi)置了ＣＡＮ模塊的Ｆ２８１２做為微處理器，從硬件上來(lái)講，外接一個(gè)ＣＡＮ收發(fā)器就可以方便地掛接到ＣＡＮ總線上，從軟件設(shè)計(jì)上來(lái)講，由于Ｆ２８１２強(qiáng)大的寄存器功能，也可以很容易地實(shí)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(diǎn)的編程采用Ｃ語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言相結(jié)合的方式，采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方案，可讀可移植性好。流程如圖３所示。程序設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于ＣＡＮ模塊的初始化和中斷程序的調(diào)用。

　　圖３　智能節(jié)點(diǎn)程序流程圖

　　智能節(jié)點(diǎn)端ＣＡＮ模塊初始化（流程圖如圖４所示［４］）主要包括三個(gè)方面的內(nèi)容：波特率的配置、郵箱分配（包括郵箱方向、標(biāo)識(shí)符分配等）、中斷寄存器初始化。波特率和標(biāo)識(shí)符的分配非常重要，是ＣＡＮ網(wǎng)絡(luò)通信成功的關(guān)鍵所在。Ｆ２８１２內(nèi)置ＣＡＮ控制器使用位時(shí)序配置寄存器ＣＡＮＢＴＣ中的ＢＲＰ、ＴＳＥＧ１和ＴＳＥＧ２來(lái)設(shè)置波特率，計(jì)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(tǒng)倍頻為１／２，ＢＲＰ＝９，ＴＳＥＧ１＝１０，ＴＳＥＧ２＝２，因此波特率為１００Ｋｂｐｓ。標(biāo)識(shí)符就根據(jù)表１的描述來(lái)確定。

　　圖４　智能節(jié)點(diǎn)ＣＡＮ模塊初始化流程圖

　　中斷程序中主要對(duì)從節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后轉(zhuǎn)存到主節(jié)點(diǎn)的發(fā)送郵箱中，等待發(fā)送給上位機(jī)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的時(shí)候要把接收郵箱中的數(shù)據(jù)賦給中間變量，處理完后再把中間變量的值賦給發(fā)送郵箱，這個(gè)過程中要注意借助指針來(lái)完成。如下所示：

　　Ｍａｉｌｂｏｘ　＝　＆ＥＣａｎａＭｂｏｘｅｓ．ＭＢＯＸ０　＋　ｎ；　　　／／　ｎ為郵箱號(hào)

　　ｒｅｃｅｉｖｅｂｏｘｌ　＝　Ｍａｉｌｂｏｘ－＞ＭＤＲＬ．ａｌｌ；

　　ｒｅｃｅｉｖｅｂｏｘｈ　＝　Ｍａｉｌｂｏｘ－＞ＭＤＲＨ．ａｌｌ；

　　３．２上位機(jī)端

　　ＰＣ機(jī)端主要完成對(duì)各分析平臺(tái)分析結(jié)果的采集、處理，采用適合快速開發(fā)的面向?qū)ο?*語(yǔ)言ＶＢ來(lái)編寫。ＫＰＣＩ－８１１０ＣＡＮ適配卡提供．ｄｌｌ驅(qū)動(dòng)和．ｌｉｂ庫(kù)函數(shù)，通過在ＶＢ程序中調(diào)用相關(guān)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)ＣＡＮ適配卡的配置和數(shù)據(jù)的讀寫。數(shù)據(jù)的處理主要完成對(duì)各組分檢測(cè)結(jié)果中干擾背景氣的去除以及單位換算等工作。

　　上位機(jī)在接收主節(jié)點(diǎn)傳送過來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí)，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(shù)據(jù)。濾波規(guī)則為：驗(yàn)收代碼位（ＡＣＲ．７－ＡＣＲ．０）和信息識(shí)別碼（標(biāo)識(shí)符）的高８位（ＩＤ．１０－ＩＤ．３）相等，且與驗(yàn)收屏蔽位（ＡＭＲ．７－ＡＭＲ．０）的相應(yīng)位相或?yàn)椋保郏担荨＠纾谏衔粰C(jī)接收界面中輸入組分名“ｃｏ２”，運(yùn)行程序時(shí)就會(huì)把“ｃｏ２”對(duì)應(yīng)的一組驗(yàn)收代碼值和驗(yàn)收屏蔽值初始化為驗(yàn)收濾波器的預(yù)設(shè)值。為了具有通用性，把驗(yàn)收屏蔽碼設(shè)為ＡＣＲ　ｘｏｒ　＆ＨＦＦ。

　　由于ＳＪＡ１０００ＣＡＮ控制器每個(gè)地址存儲(chǔ)８位的數(shù)據(jù)，而Ｆ２８１２內(nèi)置ＣＡＮ控制器每個(gè)地址存儲(chǔ)１６位的數(shù)據(jù)而且標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀的標(biāo)識(shí)符也不是從字節(jié)的起始位開始的，所以定義標(biāo)識(shí)符的時(shí)候要按照不同控制器的要求來(lái)定義。例如Ｆ２８１２內(nèi)置ＣＡＮ控制器定義數(shù)據(jù)幀標(biāo)識(shí)符為１１４４　００００（ｂｉｔ２８－ｂｉｔ１８為標(biāo)識(shí)符位），ＳＪＡ１０００獨(dú)立控制器對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)符應(yīng)為８Ａ２０（ｂｉｔ１５－ｂｉｔ５為標(biāo)識(shí)符位）。．

　　下圖為自己開發(fā)的接收界面成功接收到數(shù)據(jù)：

　　圖５　上位機(jī)接收界面

　　４ 結(jié)論

　　該通信系統(tǒng)在試驗(yàn)中得到了良好的效果，滿足了多組分分析儀器的設(shè)計(jì)要求。數(shù)字化在線分析儀器作為網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元，有機(jī)地融入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)傳輸、遠(yuǎn)程故障診斷是分析儀器的發(fā)展趨勢(shì)，也是工業(yè)化和信息化的發(fā)展趨勢(shì)。