基于iCAN協(xié)議的嵌入式從站模塊設計

勾 璇,尹 崗

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

在工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化趨勢下，工業(yè)控制系統(tǒng)逐漸采用更加徹底的分布式結構，而在這個發(fā)展過程中，現(xiàn)場總線的應用起到了主導作用[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、可靠性和實時性以及較低的成本，在工業(yè)控制、遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I域中獲得了廣泛應用[2]。

iCAN(Industrial CAN)協(xié)議即 “工業(yè)CAN應用層協(xié)議”是我國自行研發(fā)的現(xiàn)場總線技術標準，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)的可靠性與實時性，以相對簡單的方式進行數(shù)據(jù)通信，有效降低了硬件實現(xiàn)成本。它的出現(xiàn)為中國中小型CAN-bus應用網(wǎng)絡提供出一種簡單、可靠、穩(wěn)定的應用層協(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)權的總線協(xié)議，它為我國開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的現(xiàn)場總線技術標準提供了寶貴的經(jīng)驗[3]。

本設計采用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將進行數(shù)據(jù)信號的采集，基于iCAN協(xié)議的報文解析與打包,并完成于主站的通信功能。

1 總體方案設計

1.1 基本結構及功能

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、本地應用電路。從站模塊功能結構圖如圖1所示。

圖1 從站模塊功能結構圖

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)通過本地應用電路將不同的應用對象的各功能單元連入iCAN總線，應用對象包括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)行主站下達的命令；(3)通過串行接口與上位PC機相連，完成對模塊用戶參數(shù)的配置。

1.2 模塊硬件電路設計

iCAN從站模塊的硬件結構框圖如圖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、存儲器擴展模塊及各基礎電路模塊。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)器可方便地進行 CAN數(shù)據(jù)收發(fā)。通用輸入輸出模塊設計了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轉換器，它們可在8個引腳中實現(xiàn)輸入多路復用，利用該芯片這一優(yōu)勢，本模塊設計了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)進行設置，這些參數(shù)包括：節(jié)點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)設置數(shù)據(jù)通過存儲器擴展模塊進行保存，當模塊再次上電時將從片外存儲器中讀取已保存數(shù)據(jù)進行初始化。

圖2 從站模塊硬件結構圖

1.2.1 器件選型

為提高模塊的實時性和可靠性，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50 MHz，運算控制能力較強，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個引腳中實現(xiàn)輸入多路復用，并且10位轉換時間最小僅為2.44μs；芯片的這些特點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標準研制的，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計

通過CAN總線通信模塊可使iCAN從站模塊和iCAN總站完成通信，實現(xiàn)將采集數(shù)據(jù)上傳或執(zhí)行主站下達的命令的任務。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)器就能滿足設計要求。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現(xiàn)。為實現(xiàn)有效的瞬態(tài)保護，在CAN信號輸出部分加了低電容瞬態(tài)電壓抑制器PSM712。PSM712可以保護收發(fā)器在瞬時高電壓情況下不受損壞。

2 軟件設計

2.1 主程序設計

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

2.2 CAN模塊通信程序設計

圖4 主程序流程圖

基于LPC11Cxx系列的微控制器的ZLG_CAN通用驅動庫提供了完整、可靠的 CAN操作 API，調(diào)用 API既可以完成對CAN控制器和報文對象的配置，并實現(xiàn)CAN中斷的管理、CAN通信等工作。但是，通過ZLG_CAN通用驅動庫來進行應用編程，仍然涉及到十幾個底層接口函數(shù)，不便于移植和維護。因此本設計中的CAN模塊編程部分采用了對通用驅動的函數(shù)進行了進一步封裝的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)議的報文處理程序設計

iCAN協(xié)議為CAN總線的應用層協(xié)議，iCAN協(xié)議定義的通信方式是“面向節(jié)點，基于連接的通信方式。面向節(jié)點是指源節(jié)點地址及目的節(jié)點地址均已給定，即對于任何一個報文參與通信的雙方是確定的，基于連接是指在網(wǎng)絡中任何一個參與通信的從站設備都必須和主站設備建立一個獨立的通信連接。這樣也為對任何一個設備的通信進行監(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)響應幀來應答。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(由主站設置)向主站傳送數(shù)據(jù)。

iCAN協(xié)議使用了擴展幀格式CAN報文,對CAN報文的29位標識符和報文數(shù)據(jù)都做了詳細規(guī)定。報文標識符制定了數(shù)據(jù)通信中的源節(jié)點MACID和目標節(jié)點MACID，并指示了報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)點來對設備進行描述,在iCAN網(wǎng)絡中，iCAN設備對iCAN主站而言就是許多資源節(jié)點的集合,通過資源節(jié)點主站和從站來完成數(shù)據(jù)交換[6]。iCAN標識符分配如圖6所示。

圖6 iCAN標識符分配

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上進行建立連接是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，首先判斷報文是否合法且從站模塊尚未與其他模塊建立連接，若報文非法或已處于連接狀態(tài)，則向主站回發(fā)異常響應報文；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

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

2.4 用戶參數(shù)配置軟件設計

從站模塊初次上電后，用戶需要對其基本參數(shù)進行設置，可設置的參數(shù)包括：節(jié)點 MACID、CAN通信波特率、A/D采樣次數(shù)、PWM周期。因此，進行了“iCAN模塊用戶參數(shù)配置軟件”設計，如圖8所示。點擊“恢復出廠設置”按鈕即將參數(shù)設置為：模塊節(jié)點編號01，CAN波特率設置為 500 kb/s，A/D采樣次數(shù)設置為 64，PWM周期設置為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)自己的需求設計合適的底板，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的尺寸設計，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，設置好端口號，點擊“連接”按鈕，紅燈亮，表示串口已連接正常；然后填寫各參數(shù)預設置的數(shù)值，填好后點擊“寫入”按鈕，觀察“返回狀態(tài)顯示窗口”，若出現(xiàn)“WRITEOK”字樣即說明設置成功。

打開CANPro通信軟件，點擊“啟動”按鈕，彈出打開設備對話框，設備索引號設置為“0”，將波特率設置為500 Mb/s,與iCAN模塊波特率設置一致選中iCAN窗口,進行下面的測試。

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)點號在網(wǎng)絡中是否唯一。若1 s內(nèi)未收到MAC ID檢測響應幀，則iCAN模塊進入可操作狀態(tài)。

3.2.2 建立連接

MAC ID檢測通過后，編號為“0”的主站節(jié)點發(fā)送“建立連接”命令幀，CyclicMaster這里設置為 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，返回異常響應幀，告知本節(jié)點已與其他節(jié)點建立連接。

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，就可與主站進行通信，響應主站命令。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)響應幀，返回4路模擬量輸入端口的數(shù)值。

本設計在對iCAN總線協(xié)議深入研究的基礎上，結合經(jīng)濟性和實用性的原則，設計了一種基于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)品復雜的設計和漫長的測試過程，制造出適用于不同工業(yè)控制環(huán)境的產(chǎn)品，為進一步開發(fā)設計基于CAN-bus產(chǎn)品提供了便利。

[1]周立功單片機發(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)技術與信息,2006(4):84-85.

[2]陽憲惠.現(xiàn)場總線技術及其應用[M].北京:清華大學出版社,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)中的應用[J].自動化與儀表,2008(7):25-27.

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

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

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