基于iCAN協(xié)議的嵌入式從站模塊設(shè)計(jì)

勾 璇,尹 崗

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 電力學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080)

在工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化趨勢下，工業(yè)控制系統(tǒng)逐漸采用更加徹底的分布式結(jié)構(gòu)，而在這個發(fā)展過程中，現(xiàn)場總線的應(yīng)用起到了主導(dǎo)作用[1]。作為市場上占有率很高的現(xiàn)場總線之一，CAN-bus總線憑借其良好的開放性、可靠性和實(shí)時性以及較低的成本，在工業(yè)控制、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用[2]。

iCAN(Industrial CAN)協(xié)議即 “工業(yè)CAN應(yīng)用層協(xié)議”是我國自行研發(fā)的現(xiàn)場總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層完全兼容CAN2.0B協(xié)議規(guī)范。iCAN協(xié)議優(yōu)先保障通信數(shù)據(jù)的可靠性與實(shí)時性，以相對簡單的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，有效降低了硬件實(shí)現(xiàn)成本。它的出現(xiàn)為中國中小型CAN-bus應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)提供出一種簡單、可靠、穩(wěn)定的應(yīng)用層協(xié)議，更為可貴的是iCAN協(xié)議是我國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的總線協(xié)議，它為我國開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)場總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)[3]。

本設(shè)計(jì)采用NXP公司的LPC11C14微處理器作為模塊核心，這是一種內(nèi)嵌CAN控制器的32位ARM芯片。初始化后，LPC11C14將進(jìn)行數(shù)據(jù)信號的采集，基于iCAN協(xié)議的報(bào)文解析與打包,并完成于主站的通信功能。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 基本結(jié)構(gòu)及功能

基于iCAN協(xié)議的嵌入式從站模塊 (以下簡稱iCAN從站模塊)由三部分組成：微處理器系統(tǒng)模塊、CAN總線通信模塊、本地應(yīng)用電路。從站模塊功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 從站模塊功能結(jié)構(gòu)圖

iCAN從站模塊中選用的微處理器LPC11C14內(nèi)部嵌入CAN控制器,因此微處理器系統(tǒng)包括微處理器及CAN控制器兩部分。iCAN從站模塊主要完成三部分功能：(1)通過本地應(yīng)用電路將不同的應(yīng)用對象的各功能單元連入iCAN總線，應(yīng)用對象包括4路模擬量輸入、4路模擬量輸出、8路數(shù)字量輸入和8路數(shù)字量輸出；(2)通過CAN收發(fā)器與iCAN主站相連，將采集到的數(shù)據(jù)上傳至主站或執(zhí)行主站下達(dá)的命令；(3)通過串行接口與上位PC機(jī)相連，完成對模塊用戶參數(shù)的配置。

1.2 模塊硬件電路設(shè)計(jì)

iCAN從站模塊的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，主要包括微處理器、通用輸入輸出模塊、CAN通信模塊、UART通信模塊、存儲器擴(kuò)展模塊及各基礎(chǔ)電路模塊。微處理器采用基于Cortex內(nèi)核的ARM芯片LPC11C14，其內(nèi)置1路CAN控制器，通過外接 CAN收發(fā)器可方便地進(jìn)行 CAN數(shù)據(jù)收發(fā)。通用輸入輸出模塊設(shè)計(jì)了8路數(shù)字量輸入端口、8路數(shù)字量輸出端口、4路模擬量輸入端口、4路PWM輸出端口，這樣即可滿足在不同工業(yè)環(huán)境下對接口的要求。LPC11C14芯片擁有8通道10位AD轉(zhuǎn)換器，它們可在8個引腳中實(shí)現(xiàn)輸入多路復(fù)用，利用該芯片這一優(yōu)勢，本模塊設(shè)計(jì)了4路模擬量輸入。模塊初次上電時，用戶可在PC上通過串口調(diào)試助手對模塊基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，這些參數(shù)包括：節(jié)點(diǎn)MACID、CAN通信波特率、A/D采樣次數(shù)、PWM周期。模塊的用戶參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)通過存儲器擴(kuò)展模塊進(jìn)行保存，當(dāng)模塊再次上電時將從片外存儲器中讀取已保存數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化。

圖2 從站模塊硬件結(jié)構(gòu)圖

1.2.1 器件選型

為提高模塊的實(shí)時性和可靠性，iCAN從站模塊選用NXP公司推出的Cortex-M0內(nèi)核微處理器 LPC11C14，工作頻率高達(dá)50 MHz，運(yùn)算控制能力較強(qiáng)，每秒可以執(zhí)行超過4 500萬條指令，并且配有SWD調(diào)試功能；同時這款芯片擁有4個通用定時器，16位和32位各兩個，均帶有PWM輸出/匹配/捕捉功能；另外芯片擁有8通道10位ADC，它們可在8個引腳中實(shí)現(xiàn)輸入多路復(fù)用，并且10位轉(zhuǎn)換時間最小僅為2.44μs；芯片的這些特點(diǎn)輕松滿足了模塊對通用接口上的要求[4]。除此之外，LPC11C14這款芯片是針對控制局域網(wǎng)（CAN）2.0B標(biāo)準(zhǔn)研制的，集成了C_CAN控制器，是業(yè)界首款在片上直接支持CAN控制器的Cortex-M0微控制器，是目前市場上性價(jià)比最高的一款微處理器，從而解決了使用ARM微處理器所造成的成本提高的問題。

1.2.2 CAN總線通信模塊硬件設(shè)計(jì)

通過CAN總線通信模塊可使iCAN從站模塊和iCAN總站完成通信，實(shí)現(xiàn)將采集數(shù)據(jù)上傳或執(zhí)行主站下達(dá)的命令的任務(wù)。CAN總線接口硬件電路如圖3所示。

圖3 CAN通信接口電路原理圖

LPC11C14內(nèi)部集成有一個兼容CAN2.0B的CAN控制器，只需增加一個 CAN總線收發(fā)器就能滿足設(shè)計(jì)要求。ISO1050是TI公司的電氣隔離式CAN收發(fā)器，此器件有一個被硅二極管絕緣隔柵分開的邏輯輸入和輸出緩沖器，具有DC 2500V的隔離功能。ISO1050DUB的輸入電源與輸出電源之間必須用電源隔離模塊隔開，但由于本模塊硬件部分需要做到盡量小，因此電源隔離這部分需要用戶在底板上實(shí)現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)有效的瞬態(tài)保護(hù)，在CAN信號輸出部分加了低電容瞬態(tài)電壓抑制器PSM712。PSM712可以保護(hù)收發(fā)器在瞬時高電壓情況下不受損壞。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì)

iCAN從站模塊的主要功能是對外部數(shù)字/模擬輸入信號進(jìn)行循環(huán)采集，在接收到主站的命令幀時，向主站發(fā)送響應(yīng)幀并執(zhí)行命令。所有的功能都在一個主循環(huán)里實(shí)現(xiàn)。首先進(jìn)行各功能模塊的初始化，初始化完畢后判斷是否已進(jìn)行用戶參數(shù)配置，配置好參數(shù)后，檢測是否接收到有效CAN報(bào)文，若接收到則進(jìn)行報(bào)文處理。當(dāng)有中斷發(fā)生時，執(zhí)行中斷程序。主流程圖如圖4所示。

2.2 CAN模塊通信程序設(shè)計(jì)

圖4 主程序流程圖

基于LPC11Cxx系列的微控制器的ZLG_CAN通用驅(qū)動庫提供了完整、可靠的 CAN操作 API，調(diào)用 API既可以完成對CAN控制器和報(bào)文對象的配置，并實(shí)現(xiàn)CAN中斷的管理、CAN通信等工作。但是，通過ZLG_CAN通用驅(qū)動庫來進(jìn)行應(yīng)用編程，仍然涉及到十幾個底層接口函數(shù)，不便于移植和維護(hù)。因此本設(shè)計(jì)中的CAN模塊編程部分采用了對通用驅(qū)動的函數(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步封裝的zlg_can程序模塊，圖5為CAN模塊編程流程框圖。

圖5 基于zlg_can程序模塊編程

2.3 基于iCAN協(xié)議的報(bào)文處理程序設(shè)計(jì)

iCAN協(xié)議為CAN總線的應(yīng)用層協(xié)議，iCAN協(xié)議定義的通信方式是“面向節(jié)點(diǎn)，基于連接的通信方式。面向節(jié)點(diǎn)是指源節(jié)點(diǎn)地址及目的節(jié)點(diǎn)地址均已給定，即對于任何一個報(bào)文參與通信的雙方是確定的，基于連接是指在網(wǎng)絡(luò)中任何一個參與通信的從站設(shè)備都必須和主站設(shè)備建立一個獨(dú)立的通信連接。這樣也為對任何一個設(shè)備的通信進(jìn)行監(jiān)控提供可能[5]。

此外，iCAN協(xié)議也是一種主從方式的協(xié)議。iCAN協(xié)議中規(guī)定了三種通信模式：(1)主從通信模式，主站對從站發(fā)送命令幀，從站模塊回發(fā)響應(yīng)幀來應(yīng)答。這種通信模式為本模塊的常態(tài)通信模式。(2)事件觸發(fā)通信模式，用于在從站模塊輸入端口狀態(tài)發(fā)生改變時，主動向主站傳送數(shù)據(jù)。這種通信模式彌補(bǔ)了主從通信模式下總線利用率低的問題。(3)定式循環(huán)傳送模式，用于從站模塊在固定的時間間隔(由主站設(shè)置)向主站傳送數(shù)據(jù)。

iCAN協(xié)議使用了擴(kuò)展幀格式CAN報(bào)文,對CAN報(bào)文的29位標(biāo)識符和報(bào)文數(shù)據(jù)都做了詳細(xì)規(guī)定。報(bào)文標(biāo)識符制定了數(shù)據(jù)通信中的源節(jié)點(diǎn)MACID和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)MACID，并指示了報(bào)文的功能以及所要訪問的資源。在iCAN協(xié)議中,使用資源節(jié)點(diǎn)來對設(shè)備進(jìn)行描述,在iCAN網(wǎng)絡(luò)中，iCAN設(shè)備對iCAN主站而言就是許多資源節(jié)點(diǎn)的集合,通過資源節(jié)點(diǎn)主站和從站來完成數(shù)據(jù)交換[6]。iCAN標(biāo)識符分配如圖6所示。

圖6 iCAN標(biāo)識符分配

iCAN協(xié)議規(guī)定了7種功能碼，主要有連續(xù)寫端口、連續(xù)讀端口、事件觸發(fā)傳送、建立連接等，這部分軟件就基于這幾種功能碼進(jìn)行模塊化編寫。

iCAN協(xié)議通信方式是基于連接的,任何通信都是在連接的基礎(chǔ)上進(jìn)行建立連接是iCAN協(xié)議通信第一步，也是最重要的一步。這里介紹一下建立連接的程序流程，當(dāng)從站模塊接收到主站發(fā)來的建立連接命令幀時，首先判斷報(bào)文是否合法且從站模塊尚未與其他模塊建立連接，若報(bào)文非法或已處于連接狀態(tài)，則向主站回發(fā)異常響應(yīng)報(bào)文；若通過判斷，則繼續(xù)判斷連接定時參數(shù)是否為零，若為零，則從站模塊直接與主站建立連接并回發(fā)正常響應(yīng)幀，若不為零，則先啟動連接定時器，再與主站建立連接回發(fā)報(bào)文。建立連接的程序流程圖如圖7所示。

圖7 “建立連接”處理流程圖

本設(shè)計(jì)中的iCAN從站模塊收發(fā)的數(shù)據(jù)均符合iCAN協(xié)議報(bào)文的格式，當(dāng)收到一幀CAN報(bào)文時，首先對其進(jìn)行報(bào)文解析，翻譯成iCAN協(xié)議規(guī)定的報(bào)文格式，再做處理；同樣，當(dāng)從站模塊要發(fā)送一幀報(bào)文時，首先需將iCAN報(bào)文翻譯成CAN報(bào)文，然后再經(jīng)過CAN通信程序進(jìn)行發(fā)送。

2.4 用戶參數(shù)配置軟件設(shè)計(jì)

從站模塊初次上電后，用戶需要對其基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，可設(shè)置的參數(shù)包括：節(jié)點(diǎn) MACID、CAN通信波特率、A/D采樣次數(shù)、PWM周期。因此，進(jìn)行了“iCAN模塊用戶參數(shù)配置軟件”設(shè)計(jì)，如圖8所示。點(diǎn)擊“恢復(fù)出廠設(shè)置”按鈕即將參數(shù)設(shè)置為：模塊節(jié)點(diǎn)編號01，CAN波特率設(shè)置為 500 kb/s，A/D采樣次數(shù)設(shè)置為 64，PWM周期設(shè)置為3(1 ms)。

圖8 iCAN模塊用戶參數(shù)配置軟件

3 系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行

3.1 模塊硬件

iCAN從站模塊為核心模塊，用戶可根據(jù)自己的需求設(shè)計(jì)合適的底板，配合使用。這就要求本模塊體積要足夠小，因此本模塊按32 mm×32 mm的尺寸設(shè)計(jì)，把數(shù)字量輸入輸出、模擬量輸入輸出都通過排針引出。由于面積小，器件較多，因此采用雙面貼片。

3.2 模塊軟件通信調(diào)試

將iCAN從站模塊插到測試底板上，將測試底板的CAN接口和USBCAN分析儀相連接，USBCAN分析儀的另一端連接PC(這里用PC模擬iCAN主站)。

打開iCAN模塊用戶參數(shù)配置軟件，設(shè)置好端口號，點(diǎn)擊“連接”按鈕，紅燈亮，表示串口已連接正常；然后填寫各參數(shù)預(yù)設(shè)置的數(shù)值，填好后點(diǎn)擊“寫入”按鈕，觀察“返回狀態(tài)顯示窗口”，若出現(xiàn)“WRITEOK”字樣即說明設(shè)置成功。

打開CANPro通信軟件，點(diǎn)擊“啟動”按鈕，彈出打開設(shè)備對話框，設(shè)備索引號設(shè)置為“0”，將波特率設(shè)置為500 Mb/s,與iCAN模塊波特率設(shè)置一致選中iCAN窗口,進(jìn)行下面的測試。

3.2.1 MAC ID檢測

硬件連接正常時，iCAN從站模塊上電后，主動向主站發(fā)送MAC ID檢測命令，以檢測iCAN從站模塊的節(jié)點(diǎn)號在網(wǎng)絡(luò)中是否唯一。若1 s內(nèi)未收到MAC ID檢測響應(yīng)幀，則iCAN模塊進(jìn)入可操作狀態(tài)。

3.2.2 建立連接

MAC ID檢測通過后，編號為“0”的主站節(jié)點(diǎn)發(fā)送“建立連接”命令幀，CyclicMaster這里設(shè)置為 0，表示不裝載連接定時器；從站收到正確的命令幀，返回響應(yīng)幀，數(shù)據(jù)部分分別為 DI、DO、AI、PWM 的數(shù)目，單位為 B；此時編號為2的節(jié)點(diǎn)又向iCAN從站模塊發(fā)送建立連接命令幀，iCAN從站模塊收到后，返回異常響應(yīng)幀，告知本節(jié)點(diǎn)已與其他節(jié)點(diǎn)建立連接。

3.2.3 采集模擬量輸入端口

iCAN從站模塊與主站建立連接后，就可與主站進(jìn)行通信，響應(yīng)主站命令。這里以采集模擬量輸入端口為例，介紹iCAN從站模塊的通信功能。

主站發(fā)送命令幀,讀取4路模擬量端口的輸入數(shù)據(jù)，每路模擬量16 bit，用2 B表示，因此命令幀數(shù)據(jù)部分08表示讀取8 B數(shù)據(jù)；iCAN從站模塊接收命令幀，在極短時間內(nèi)回發(fā)響應(yīng)幀，返回4路模擬量輸入端口的數(shù)值。

本設(shè)計(jì)在對iCAN總線協(xié)議深入研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的原則，設(shè)計(jì)了一種基于iCAN協(xié)議的嵌入式從站模塊，使更多的研究者可拋開CAN-bus產(chǎn)品復(fù)雜的設(shè)計(jì)和漫長的測試過程，制造出適用于不同工業(yè)控制環(huán)境的產(chǎn)品，為進(jìn)一步開發(fā)設(shè)計(jì)基于CAN-bus產(chǎn)品提供了便利。

[1]周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司.基于iCAN協(xié)議的CAN bus分布式控制系統(tǒng)[J].產(chǎn)業(yè)技術(shù)與信息,2006(4):84-85.

[2]陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.

[3]張健,蔣新華,陳興武.CAN總線在基于ARM嵌入式數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動化與儀表,2008(7):25-27.

[4]廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司.深入淺出Cortex-M0—LPC1100系列[Z].2013.

[5]周立功．iCAN現(xiàn)場總線原理與應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

[6]馮江濤.基MCGS和iCAN的分布式監(jiān)控系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2008(2):18-19.