基于CAN的網(wǎng)控器的設(shè)計(jì)

馮 林

FENG Lin

（東華理工大學(xué)，撫州 344000）

0 引言

中核撫州金安鈾業(yè)有限公司是我國(guó)第一批開(kāi)發(fā)建設(shè)的鈾礦山之一。主要從事鈾礦的采冶，用于國(guó)防軍工和核電發(fā)展，現(xiàn)已建成具備采礦、選礦、水冶綜合生產(chǎn)能力及社會(huì)職能齊全的鈾礦冶聯(lián)合企業(yè)，天然鈾年產(chǎn)量占全國(guó)產(chǎn)量的四分之一左右，素有“鈾都”之稱(chēng)。目前主要的礦區(qū)有：山南工區(qū)、鄒家山工區(qū)、沙洲工區(qū)，它們彼此相距2至3公里。

由于礦區(qū)地理位置分散，相隔較遠(yuǎn)， 礦區(qū)面積不斷擴(kuò)大，各消費(fèi)點(diǎn)又非常分散，需要有一種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能將各消費(fèi)點(diǎn)與服務(wù)器連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)消費(fèi)信息的高效實(shí)時(shí)傳輸。這樣的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一般采用的網(wǎng)控器，本文提出了采用CAN網(wǎng)控器的方案。系統(tǒng)中所設(shè)計(jì)的CAN網(wǎng)控器不僅具有中繼的功能，而且具有一定的網(wǎng)橋功能，它充分利用了CAN總線控制器可靈活配置的特點(diǎn)，在兩個(gè)CAN子網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)報(bào)文的過(guò)濾，使各個(gè)子網(wǎng)都能高效運(yùn)轉(zhuǎn)，而這些對(duì)于各CAN節(jié)點(diǎn)和服務(wù)器而言都是透明的。

本文重點(diǎn)介紹我們研制的基于CAN的網(wǎng)控器的設(shè)計(jì)。

1 網(wǎng)控器的硬件設(shè)計(jì)

CAN網(wǎng)控器是系統(tǒng)組網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，它不僅僅是網(wǎng)控器，而且具有一定的網(wǎng)橋功能。因?yàn)橹灰獙?duì)網(wǎng)控器的初始化參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)配置，就能使網(wǎng)控器既具有報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)功能，又具有報(bào)文過(guò)濾功能。如圖1所示，CAN網(wǎng)控器主要由89C58和兩路CAN控制器接口組成，89C58作為CAN網(wǎng)控器的微控制器，負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)控器的監(jiān)控任務(wù)。兩路CAN控制器接口電路基本相同，都是由CAN通信控制器SJA1000，光電耦合電路和CAN總線收發(fā)器82C250組成。兩路CAN接口的CAN總線收發(fā)器都采用帶隔離的DC/DC模塊單獨(dú)供電。這樣就不僅實(shí)現(xiàn)了兩路CAN接口之間的電氣隔離，也實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)控器與CAN總線的隔離。雖然為此在一定程度上增加了網(wǎng)控器硬件的復(fù)雜性，但卻是值得的。采取隔離措施，可使故障局限在某一網(wǎng)段內(nèi)，而不至于影響其它網(wǎng)段，即便于維護(hù)又保證了系統(tǒng)設(shè)備的安全。網(wǎng)控器硬件除了以上主要部分以外，還有LED指示，EEPROM和看門(mén)狗等部分。網(wǎng)控器中共設(shè)計(jì)了7個(gè)LED，一個(gè)用于網(wǎng)控器上電指示，四個(gè)用于兩路CAN接口的當(dāng)前接收和發(fā)送狀態(tài)指示，還有兩個(gè)用于兩路CAN接口的通信故障（如總線脫離）指示。這樣從網(wǎng)控器面板上LED的指示就可以基本了解網(wǎng)控器的整個(gè)運(yùn)行情況。網(wǎng)控器的看門(mén)狗部分使用的一片X25045。X25045除具有看門(mén)狗和上電復(fù)位功能以外，其內(nèi)部還集成了512個(gè)字節(jié)的EEPROM，EEPROM可用于保存網(wǎng)控器的配置參數(shù)等信息，以便于系統(tǒng)的靈活配置。

圖1 網(wǎng)控器硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 網(wǎng)控器的軟件設(shè)計(jì)

因?yàn)榫W(wǎng)控器一旦出故障，影響的將是整個(gè)子網(wǎng)。網(wǎng)控器的軟件設(shè)計(jì)除了盡量滿足上面的要求以外，還基于這樣一個(gè)原則，就是讓網(wǎng)控器除了完成信息的過(guò)濾和中繼任務(wù)以外，使其功能盡量簡(jiǎn)化。因?yàn)橐ＷC服務(wù)器和窗口機(jī)之間傳輸信息的可靠性，唯有通過(guò)應(yīng)用層的端端差錯(cuò)控制才能滿足要求，而在網(wǎng)控器中加入過(guò)多的差錯(cuò)控制和流量控制功能不僅達(dá)不到目的，同時(shí)還降低了網(wǎng)控器的運(yùn)行效率，增加了故障隱患。由于網(wǎng)控器的緩沖區(qū)RAM有限，其本身又沒(méi)有流量控制功能，所以對(duì)于緩沖區(qū)滿時(shí)接收的數(shù)據(jù)幀只能采用丟棄的辦法。當(dāng)然，在總線通信正常的情況下，緩性區(qū)溢出的可能性是很小的。既使由于溢出而丟棄了后面接收到的數(shù)據(jù)幀，應(yīng)用層通信協(xié)議也可以保證端端通信的可靠性。至于網(wǎng)控器軟件的具體設(shè)計(jì)，下面分幾個(gè)模塊來(lái)分別進(jìn)行說(shuō)明。

2.1 網(wǎng)控器初始化模塊

網(wǎng)控器的初始化模塊主要用于網(wǎng)控器的參數(shù)配置。網(wǎng)控器在初次使用或者由于某種特殊情況需要時(shí)，都必須進(jìn)行參數(shù)的配置。如圖2所示為網(wǎng)控器初始化程序流程圖。從圖中可以看出，對(duì)于需要進(jìn)行參數(shù)配置的網(wǎng)控器，服務(wù)器在參數(shù)配置完成以前不能有通過(guò)該網(wǎng)控器發(fā)送給其它網(wǎng)控器或窗口機(jī)的數(shù)據(jù)幀，否則網(wǎng)控器就會(huì)退出參數(shù)配置狀態(tài)而進(jìn)入網(wǎng)控器正常運(yùn)行狀態(tài)。之所以這樣設(shè)計(jì)，主要是考慮網(wǎng)控器需要進(jìn)行參數(shù)配置的情況很少，平時(shí)服務(wù)器只須任意發(fā)送一幀通過(guò)網(wǎng)控器的信息，就可以啟動(dòng)網(wǎng)控器進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。而不必象窗口機(jī)那樣要求開(kāi)機(jī)命令，這樣網(wǎng)控器對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)才是真正透明的。網(wǎng)控器在完成了參數(shù)配置時(shí)，必須將配置成功與否的消息返回給服務(wù)器作相應(yīng)處理。

2.2 網(wǎng)控器監(jiān)控模塊

網(wǎng)控器的接收采用的是外部中斷方式接收，發(fā)送是在監(jiān)控程序中完成的。如圖3所示為網(wǎng)控器監(jiān)控程序流程圖。監(jiān)控程序根據(jù)接收緩沖區(qū)中是否有數(shù)據(jù)，決定是否發(fā)送以及發(fā)送給誰(shuí)。如接收服務(wù)器數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)則向子網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)，如接收窗口機(jī)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)則向服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)。另外在主監(jiān)控程序中對(duì)任一方CAN總線脫離的情況也作了處理，脫離標(biāo)志的建立和清除都是在中斷處理程序中完成的。當(dāng)任一方CAN控制器的發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器（TXERR）大于或等于256時(shí)，都會(huì)進(jìn)入總線脫離狀態(tài)。進(jìn)入總線脫離狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，只有在將方式寄存器（MODE）中的Reset Request位清0（因?yàn)榭偩€脫離后Reset Request位會(huì)自動(dòng)變?yōu)?），并監(jiān)測(cè)到總線上128次11個(gè)連續(xù)的隱性位發(fā)生后，才可以由總線脫離狀態(tài)再次進(jìn)入錯(cuò)誤激活狀態(tài)。當(dāng)CAN總線脫離時(shí)，說(shuō)明總線錯(cuò)誤已非常嚴(yán)重，網(wǎng)控器碰到這種情況則將緩沖區(qū)全部清除，并對(duì)未脫離方隨后接收到的數(shù)據(jù)也采用丟棄的辦法。同時(shí)，在主監(jiān)控程序中對(duì)允許脫離的次數(shù)也作了一個(gè)限制，最多不能超過(guò)三次，這樣可以避免某些確已被嚴(yán)重干擾的節(jié)點(diǎn)影響到其它正常節(jié)點(diǎn)的工作。

2.3 中斷處理模塊

網(wǎng)控器的外部中斷共有兩個(gè)，包括接收服務(wù)器數(shù)據(jù)中斷和接收窗口機(jī)數(shù)據(jù)中斷。接收服務(wù)器數(shù)據(jù)中斷相對(duì)要復(fù)雜一些，因?yàn)楸仨毺幚矸?wù)器發(fā)來(lái)的相關(guān)命令。在本節(jié)中就以接收服務(wù)器數(shù)據(jù)中斷為例進(jìn)行分析。

圖2 網(wǎng)控器初始化程序流程圖

圖3 網(wǎng)控器監(jiān)控程序流程圖

圖4 網(wǎng)控器中斷處理程序流程圖（接收服務(wù)器數(shù)據(jù)）

實(shí)際上網(wǎng)控器的大部分工作是在中斷處理程序中完成的，包括數(shù)據(jù)的接收，脫離標(biāo)志的建立和清除，脫離后Reset Request位的清0，請(qǐng)求狀態(tài)標(biāo)志的建立和子網(wǎng)狀態(tài)查詢(xún)命令的修改等等。如圖4所示，為網(wǎng)控器接收服務(wù)器數(shù)據(jù)中斷處理程序流程圖。

在中斷處理程序中真正復(fù)雜的地方還是數(shù)據(jù)的接收部分。在數(shù)據(jù)接收前，要根據(jù)接收數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度判斷接收緩沖區(qū)是否會(huì)溢出。若會(huì)溢出，則判斷是否狀態(tài)查詢(xún)命令，是則置位請(qǐng)求狀態(tài)標(biāo)志，對(duì)于接收的其它數(shù)據(jù)幀則丟棄。若緩沖區(qū)不會(huì)溢出，則接收服務(wù)器數(shù)據(jù)。接收服務(wù)器數(shù)據(jù)后取出命令字節(jié)，判斷是否網(wǎng)控器狀態(tài)查詢(xún)命令，若是則置位請(qǐng)求狀態(tài)標(biāo)志，不進(jìn)行緩沖區(qū)參數(shù)調(diào)整（因?yàn)槭欠?wù)器發(fā)送給網(wǎng)控器的命令，只要求網(wǎng)控器作出響應(yīng)，不要求其轉(zhuǎn)發(fā)，所以不能放入緩沖區(qū)中）。若不是網(wǎng)控器狀態(tài)查詢(xún)命令，再判斷是否子網(wǎng)狀態(tài)查詢(xún)命令，若是子網(wǎng)狀態(tài)查詢(xún)命令，則在置請(qǐng)求狀態(tài)標(biāo)志的同時(shí)將子網(wǎng)查詢(xún)命令修改為窗口機(jī)查詢(xún)命令（因?yàn)樽泳W(wǎng)狀態(tài)查詢(xún)命令在要求網(wǎng)控器返回其狀態(tài)的同時(shí)，還要求其所連子網(wǎng)中各窗口機(jī)也返回自身狀態(tài)，所以網(wǎng)控器要向其所連子網(wǎng)各窗口機(jī)采用廣播方式發(fā)送一條狀態(tài)查詢(xún)命令。采用這種方式，提高了服務(wù)器對(duì)各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)查詢(xún)的效率）。若不是子網(wǎng)狀態(tài)查詢(xún)命令，則不作處理，只進(jìn)行緩沖區(qū)參數(shù)調(diào)整，接收數(shù)據(jù)有效。隨后是釋放CAN接收緩沖區(qū)，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)和中斷返回等工作。

3 結(jié)束語(yǔ)

按上述方法設(shè)計(jì)的網(wǎng)控器已成功應(yīng)用于某地質(zhì)采礦單位“一卡通”設(shè)計(jì)方案中,該系統(tǒng)已運(yùn)行多年，非常穩(wěn)定，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，具有推廣的價(jià)值。

本文創(chuàng)新點(diǎn)：論文首次設(shè)計(jì)了基于普通單片機(jī)的CAN網(wǎng)控器，該網(wǎng)控器是“一卡通”底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵設(shè)備，它提高了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的靈活性，極大的擴(kuò)展了其應(yīng)用范圍。網(wǎng)控器的研制成功為較大規(guī)模的信息管理提供了一種操作方便而又性?xún)r(jià)比高的設(shè)計(jì)方案。

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