今日頭條
官方微信
官方抖音
案例頻道
錢 坤 (1983—)
男，安徽人，工學碩士，(中國農業大學 信息與電氣工程學院， 北京 100083） ，主要從事嵌入式系統及總線方向的研究。
基金項目：國家自然科學基金項目（30374030）
摘要:介紹了一種虛擬現場總線的測控系統的設計。設計中，以CAN總線和無線模塊相結合的方式，模擬對現場數據的采集和控制。對該測控系統的測試表明，虛擬現場總線能很好的完成現場總線的通信功能。
關鍵詞:虛擬現場總線；現場總線；CAN總線
Abstract:The designing of virtual fieldbus control system is introduced in this paper. It combines CAN bus with wireless module in order to acquire and control the data of field. The testing of the system shows that virtual fieldbus control system can replace the corresponding function of the fieldbus.
Key words:Virtual field bus; Fieldbus; CAN bus
1 引言
現場總線是應用在生產最底層的一種總線型拓撲網絡，它作為智能設備的聯系紐帶，把掛接在總線上作為網絡節點的智能設備連接為網絡系統，實現基本控制，補償計算，參數修改，監控等綜合自動化功能，且可靠性高，穩定性好，抗干擾能力強，通訊速率快，造價低，維護成本低。隨著工業控制領域日新月異的發展，現場總線得到了越來越廣泛的應用，在所有的各類型的總線中，Bosch公司的CAN局域網現場總線是一種比較典型的現場總線。由于CAN總線采用多種新技術和獨特的設計，具有突出的可靠性、實時性和靈活性。
虛擬現場總線本質上就是完全透明的無限延長現場總線，用虛擬現場總線組網，可以和現場總線一樣使用，但沒有了節點數量的限制，也沒有了距離的限制。本文以CAN總線和無線通信相結合，組成虛擬現場總線測控系統，對于各控制現場，可以通過CAN總線連接組網，使各個節點之間可互相通信，完成基本的控制和監測；同時，各個智能節點的信息又可通過無線的方式進行遠程通信，利用遠程的控制設備，對各節點進行控制和監測。是現場總線發展的必然趨勢，有著廣闊的應用前景
2 系統的構成
本文介紹的虛擬現場總線測控系統，由三個部分組成：遠程的無線轉串口模塊，現場的無線轉CAN總線模塊和CAN總線組成的節點模塊。三個部分相輔相成，共同構成整個測控系統。下面具體介紹各個模塊。
2.1 遠程的無線轉串口模塊
這部分主要完成的任務是：上位機通過串口和該模塊通信，完成數據的發送和接收，然后再通過無線的方式與現場的CAN總線網絡通信，也就是作為數據的存儲和轉換功能。
無線數傳模塊采用上海桑銳電子科技有限公司生產的SRWF－1型微功率無線數傳模塊，該模塊采用Atmel公司的高性能單片機ATMega8L；單片射頻的集成芯片CC1000，無線的載頻頻率為429-433MHz；內部還有看門狗，除了監控自行運行狀況外，還監控射頻芯片；提供了標準的RS232和RS485接口，波特率可變（1200bps，2400 bps，4800 bps，9600bps）。在視距情況下，天線高度>3m，可靠傳輸距離>300m。具體的設計如圖1所示。
2.2 現場的無線轉CAN總線模塊
該模塊用來實現無線通信協議和CAN總線協議的轉換，通過和上面模塊的通信，將無線接收的數據通過微處理器，轉換成CAN總線可接收的數據。
這部分采用了SRWF-1加上串口轉CAN總線的組合方式，間接的將無線協議轉換成CAN總線協議。串口轉CAN總線的部分采用Atmel公司生產的MCU89S52, AT89S52是一款低功耗、高性能、CMOS結構的8位微控制器，使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業80C51 產品指令和引腳完全兼容，具有8K 在系統可編程Flash 存儲器, 片上Flash允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規編程器；采用CAN控制器SJA1000和CAN驅動器82C250，完成對CAN總線數據的收發，SJA1000是Philips公司生產的一款獨立的CAN控制器，主要用于移動目標和一般工業環境中的區域網絡控制，支持具有很多新特性的CAN2.0B協議。而82C250是與SJA1000相匹配的CAN驅動器，提供對總線的差動發送和接收功能，采用斜率控制，降低射頻干擾，總線至少可連接110個節點，設計如圖2所示。
2.3 CAN總線通信的節點模塊
這個模塊的主要作用是對現場各個節點進行控制和監測。各個節點之間可通過CAN總線進行數據交換，同時節點也可通過CAN總線與上面的模塊進行數據交換。這里以DI，DO,AI,AO四個節點作為底層模塊，可完成數字量的輸入（DI），數字量的輸出（DO），模擬量的輸入（AI），模擬量的輸出（AO）[1][2][3]。
節點由微處理器，CAN通信和具體應用三個部分組成。其中微處理器和上面的串口轉CAN總線部分一樣，采用AT89S52,CAN通信部分也采用SJA1000加82C250，具體應用則各不相同，設計如圖3所示。
3 系統測試 名稱 位 標識符字節1 ID.10－ID3 標識符字節2 ID.2-ID0,RTR,DLC.3-DLC.0 收發數據1 收發字節1 收發數據2 收發字節2 收發數據3 收發字節3 收發數據4 收發字節4 收發數據5 收發字節5 收發數據6 收發字節6 收發數據7 收發字節7 收發數據8 收發字節8
為了驗證以上方案的性能，設計了兩個系統測試，以確保整個測控系統能很好的運行。第一個是基于有線的通信測試；第二個是基于無線的通信測試。
為了更好的對傳輸的CAN總線數據進行理解，先介紹一下CAN數據幀：CAN控制器SJA1000有BASICCAN和PELICCAN兩種模式，這里用的是BASICCAN模式。CAN數據結構見表1。其中ID10-ID0是標識符，RTR是判斷數據幀和遠程幀的標志，DLC是要發送數據的長度。這里對于DI節點，發送的數據幀為：4101xx，其中4101對應標識符的兩個字節，是根據已經規定好的協議方式進行組裝；xx表示發送的數據，可通過開關進行調節具體的數值。同理，AI為4924xxxxxxxx。而DO接收的必須為DI類型的幀，也就是4101xx。如果上位機接收的是DI幀，則顯示4101xx，如果接收的是AI幀，則顯示4924xxxxxxxx，如果上位機想控制DO，則發送4101xx。
表1 CAN數據結構：
3.1 基于有線的通信測試[4][5]
整個系統由以下部分組成：CAN總線通信的節點模塊，一個CAN總線轉串口模塊和一臺PC機，其中CAN總線轉串口模塊是由現場的無線轉CAN總線模塊改造完成，整個系統的連接如圖4所示。
對系統的測試步驟如下：
（1）DI的開關打開及閉合，可控制DO發光二極管的亮與滅，證明節點之間的通信正常。
（2）DI的開關打開及閉合，通過PC的超級終端，可顯示數據，該數據為4101xx，每撥動一次開關，顯示一次；AI輸入端接上濕度傳感器，也就是模擬量，當濕度變化時，也可在超級終端上顯示，顯示數據為4924xxxxxxxx。證明CAN總線的數據可通過轉換器發送到PC上。
（3）用PC機上的ADAM軟件（可發送串口數據的軟件），輸入控制數據4101xx，可控制DO發光二極管的亮與滅，證明PC上的控制信息可通過轉換器發送到節點上。
以上測試結果表明，CAN節點之間可通過CAN總線通信，節點與上位機可通過有線通信。
3.2 基于無線的通信測試
整個系統由以下部分組成：上面介紹的三個模塊，和一臺PC機。整個系統的連接如圖5所示。
對系統的測試步驟如下：
（1）DI的開關打開及閉合，可控制DO發光二極管的亮與滅，證明節點之間的通信正常。
（2）DI的開關打開及閉合，通過PC的超級終端，可顯示數據，該數據為4101xx，每撥動一次開關，顯示一次；AI輸入端接上濕度傳感器，也就是模擬量，當濕度變化時，也可在超級終端上顯示，顯示數據為4924xxxxxxxx。證明CAN總線的數據可通過轉換器發送到PC上。
（3）用PC機上的ADAM軟件，輸入控制數據4101xx，可控制DO發光二極管的亮與滅，證明PC上的控制信息可通過轉換器發送到節點上。
以上測試結果表明，無線測試結果與有線相同，無線整體測試方案可行。
4 結束語
目前現場總線一般都以有線的方式進行通信，加入無線的方式可作為對現場總線很好的補充。有線的方式速度快，不會受氣候等自然條件的影響；無線不需連線，使用方便靈活。本文采用有線和無線相結合的方式，組成虛擬現場總線測控系統，取得了滿意的控制效果。
其它作者：
杜尚豐（1961—），男，北京人，教授，博士生導師。
參考文獻:
[1]饒運濤等，現場總線CAN原理與應用技術[M]，北京航空航天大學出版社，2004.
[2]史久根等，CAN現場總線系統設計技術[M]，國防工業出版社，2004.
[3]杜尚豐，曹曉鐘，徐津等，CAN總線測控技術及其應用[M]，北京：電子工業出版社，2007.
[4]張迎新，單片微型計算機原理[M]，應用及接口技術，2004.
[5]龔崇權，基于現場總線技術的虛擬儀器開發[J]，傳感器與儀器儀表，2006,(22):177－178.
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號