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呂強 耿慶鋒 蘇奎峰 喬志剛
在當今社會，人們的物質生活水平面日益提高，對商品的質量要求越來越高。這樣，商品的存儲環(huán)節(jié)的工作變得愈顯重要，這關系到商品的質量保持的時間長短與否。而對存儲最基本的要求就是存儲區(qū)內的溫度、濕度要求等。現(xiàn)在的存儲環(huán)境條件檢測大多是靠機械式儀表來進行，而且是利用人工定時進行記錄數(shù)據(jù)，結果是數(shù)據(jù)精度低、不夠實時。有一些大型倉庫是采用了電子檢測設備，但也是主要進行局部檢測，不能覆蓋整個倉庫區(qū)域。且當檢測位置多、檢測數(shù)據(jù)類型多時，檢測裝置的安裝和與主機的通信都顯得過于復雜。這樣，筆者就考慮使用CAN總線技術，把所有的檢測裝置用一根線連起來，就避免了每一單個檢測裝置都單獨與主機相連的繁瑣，降低了成本，同時也充分利用了主機的資源。而CAN總線技術也能保證不同類型的數(shù)據(jù)信號在總線上安全的進行傳輸。
1 CAN總線簡介
CAN總線能在極端惡劣的環(huán)境下運作，具有抗瞬間干擾的能力，其控制器接口有降低射頻干擾的斜率控制；有較強的檢錯能力。CAN節(jié)點可在不要求所有節(jié)點及其應用層改變任何軟件或硬件的情況下被接于CAN網(wǎng)絡中。由于采用了許多新技術及獨特的設計，CAN總線與一般的通信總線相比，它的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。其特點如下：
? CAN為多主方式工作，網(wǎng)絡上任意一個節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡上其它節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活。
? 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。
? CAN采用非破壞性總線仲裁技術。CAN節(jié)點只需通過對報文的標識符濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)。
? 報文采用短幀結構，傳輸時間短，受干擾概率低，保證了數(shù)據(jù)出錯率極低。
? CAN的每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，具有極好的檢錯效果。
? CAN通信介質可為雙絞線、同軸電纜或光纖，可通過標準插接件方便地連接。
? CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上其它節(jié)點的操作不受影響。
2 測控系統(tǒng)總體方案設計
環(huán)境參數(shù)測控系統(tǒng)設計為基于CAN總線的分布式測量控制顯示系統(tǒng)，主要用于倉庫等大型空間內的各種環(huán)境參數(shù)的測量、控制與顯示，使環(huán)境參數(shù)達到物品存儲的要求。
2.1 系統(tǒng)組成
環(huán)境參數(shù)測控系統(tǒng)包括4個主要的子系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結構框圖
(1) 計算機子系統(tǒng)。由工業(yè)控制計算機、顯示器和打印機等組成。
(2) 數(shù)據(jù)傳輸通信子系統(tǒng)。由裝在上位機上的CAN總線通信適配卡、裝在前端調節(jié)執(zhí)行機構上的通信卡和數(shù)據(jù)傳輸通信介質組成。
(3) 測量傳感器子系統(tǒng)。由電量傳感器和CCD傳感器組成。
(4) 調節(jié)執(zhí)行機構控制子系統(tǒng)。由調節(jié)執(zhí)行機構、力傳感器和調節(jié)執(zhí)行機構前端機組成。
2.2 系統(tǒng)工作原理
環(huán)境參數(shù)測控系統(tǒng)利用傳輸信號簡單、通信速率高、實時性強的CAN總線將一臺上位機與一臺前端機和眾多的傳感器連接起來，完成存儲空間內的環(huán)境參數(shù)測量，在經(jīng)過主機處理后，再把控制信號傳給執(zhí)行前端機，以控制環(huán)境參數(shù)的變化。通信介質可采用雙絞線，也可采用75Ω同軸電纜。
電量傳感器和CCD傳感器主要完成環(huán)境中各參數(shù)的測量任務。它包括CCD攝像機、信號采集板、A/D傳感器、高速緩存等。調節(jié)執(zhí)行機構主要完成對環(huán)境參數(shù)的調節(jié)作用，也就是根據(jù)主機的信號進行相應的操作，使各環(huán)境參數(shù)保持在預先規(guī)定的范圍內。它主要由大功率繼電器、傳感器、電流控制裝置、可調整支架等組成。主機采用高性能工控機，具有高抗擾工業(yè)級電源，硬盤及機箱防磁、防塵。作為測量控制通信中心，主機主要完成測控系統(tǒng)有關參數(shù)的設置、測試通信的分段標被測參數(shù)的整理計算、參數(shù)顯示、打印輸出、數(shù)據(jù)存盤及控制調節(jié)機構進行環(huán)境參數(shù)的調節(jié)動作。如此機接入了網(wǎng)絡，也可實現(xiàn)與其它計算機的聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。
3 測控系統(tǒng)主要分系統(tǒng)設計
3.1 數(shù)據(jù)傳輸通信子系統(tǒng)
此系統(tǒng)由裝在主機中的CAN總線通信卡，裝在調節(jié)執(zhí)行機構中的通信卡和數(shù)據(jù)傳輸介質組成。在本系統(tǒng)中，方案設計為PCI-CAN控制通信卡，CAN控制器卡集成兩路電氣隔離的CAN通道，使工控機方便地連接到CAN總線上，實現(xiàn)CAN總線協(xié)議的連接通信。CAN控制器卡整體結構框圖如圖2所示。
圖2 CAN控制器卡整體結構框圖
3.2 調節(jié)執(zhí)行機構控制子系統(tǒng)
此系統(tǒng)采用單片機構成一個控制系統(tǒng)。接收來自主機的控制信號，通過繼電器來對機械執(zhí)行機構進行控制，以調節(jié)諸如包括溫度、濕度、氣體壓力和氣體百分比容量等參數(shù)。此系統(tǒng)框圖如圖3所示。
圖3 機械執(zhí)行機構框圖
4 系統(tǒng)主要軟件設計
4.1 CAN總線接口的初始化設計
CAN控制器卡的軟件設計主要分為三部分：CAN初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送及數(shù)據(jù)接收。系統(tǒng)軟件設計的指導思想是：系統(tǒng)上電后，首先對SJA1000進行初始化，配置SJA1000的控制段寄存器內容以設定通信參數(shù)（如：模式、位速率、驗收碼、屏蔽碼、字段長、總線定時、波特率、輸出特性等）。初始化完成后，SJA1000按設定值控制CAN總線上的通信。系統(tǒng)是否能正常地工作，初始化程序的設計是個關鍵。CAN初始化主要是設置CAN的通信參數(shù)，即通過對CAN控制器段中的寄存器進行設置，從而確定CAN控制器的工作方式等。初始化程序的流程圖如圖4所示。
圖4 SJA1000初始化流程圖
總線定時寄存器的設置極大地影響了CAN性能的發(fā)揮。一般來說，若硬件連接無誤，通信失敗的主要原因在于總線定時寄存器設置不當。它確定了3個時間―時鐘周期、系統(tǒng)周期和位周期之間的關系。對BTR0操作，可決定波特率預分頻器BRP和同步跳轉寬度SJW的數(shù)值；對BTR1進行寫操作，可決定位周期的寬度、采樣點的位置及在每個采樣點進行采樣的次數(shù)。這兩個寄存器的內容，可唯一確定波特率及同步跳轉寬度。只有當系統(tǒng)中的所有節(jié)點的BTR0和BTR1的內容都相同時，才能正常通信。關于CAN總線波特率的設置參見表1。
表1 CAN總線波特率設置
4.2 驅動程序開發(fā)
PCI總線接口設備的一大特點是即插即用。因此，在軟件上必須編寫能夠實現(xiàn)即插即用功能的設備驅動程序。從廣義上來說，驅動程序就是控制硬件的一組函數(shù)。PCI設備驅動程序的開發(fā)，就是取得PCI板卡所占用的各種資源（內存、端口、中斷和DMA等），并提供給用戶一條可以訪問這些資源的途徑。在本設計中，由于PCI9052的中斷、I/O端口、映射內存等資源都是動態(tài)分配的，必須編寫驅動程序來管理硬件，才能供用戶編程使用。
WinDriver是專業(yè)的設備驅動程序開發(fā)工具。利用它的驅動程序向導（Driver Wizard），可以快速測試新硬件，并生成設備驅動程序框架。在寫設備驅動程序之前，重要的一點是確保硬件準確無誤。用WinDriver的驅動程序向導DriverWizard 提供的診斷程序Diagnostic Program來診斷CAN控制器卡。此診斷程序支持多種類型的芯片，本設計采用PCI9052作為PCI接口芯片，由于WinDriver PLX 9050的庫完全與PLX 9052兼容，可以選擇PLX 9050診斷程序9050Diag.exe，它通過WinDriver的程序訪問硬件。
5 結語
由于工控機及先進的數(shù)據(jù)采集處理技術的應用，大大提高了對環(huán)境參數(shù)的測控，并提高了測控精度。CAN總線的使用使整個復雜的系統(tǒng)更加簡潔、緊湊，提高了測控系統(tǒng)的抗干擾能力，同時也增強了系統(tǒng)的安全性。接入局域網(wǎng)，可使操作人員遠距離對測控系統(tǒng)進行控制，實現(xiàn)測控數(shù)據(jù)的遠距離傳輸。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號