CAN通信技術(shù)在半實(shí)物主機(jī)燃油粘度控制系統(tǒng)上的應(yīng)用

陳林（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所，湖北　宜昌　443003）

CAN通信技術(shù)在半實(shí)物主機(jī)燃油粘度控制系統(tǒng)上的應(yīng)用

陳林（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所，湖北宜昌443003）

本文內(nèi)容為CAN通信技術(shù)在半實(shí)物主機(jī)燃油粘度控制系統(tǒng)上的一種應(yīng)用。包括CAN通信工具、嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境、硬件接口設(shè)計(jì)原理、軟件設(shè)計(jì)方法和通信協(xié)議等。

CAN通信；控制；軟件；通信協(xié)議

1　引言

CAN 通信技術(shù)在性能和可靠性方面表現(xiàn)異常突出，在船舶、工業(yè)自動(dòng)化、工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)有著非常多的應(yīng)用。本半實(shí)物主機(jī)燃油粘度控制系統(tǒng)，上位機(jī)（主控計(jì)算機(jī)）和下位機(jī)（燃油粘度控制器）之間的通信方式選用的是CAN通信，本文介紹了CAN通信技術(shù)在半實(shí)物粘度控制系統(tǒng)上的一種應(yīng)用。

2　技術(shù)背景介紹

2.1CAN通信技術(shù)介紹

CAN 通信技術(shù)從最開(kāi)始就被各個(gè)應(yīng)用行業(yè)所看重，歸功于其特別的設(shè)計(jì)思想、性能和可靠性方面的突出表現(xiàn)。其國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)更加促進(jìn)了它的發(fā)展，基于該技術(shù)的應(yīng)用如雨后春筍般出現(xiàn)。在大型儀器設(shè)備、工業(yè)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)等方面都有其廣泛的應(yīng)用。目前，國(guó)際上百余家公司的產(chǎn)品支持CAN 通信，比如 Intel、NEC、Philips、Honeywell 、Siemens、Silioni等等。目前CAN 總線的應(yīng)用研究在眾多技術(shù)人員的努力下繼續(xù)發(fā)展，它的應(yīng)用范圍也將越來(lái)越大，前途非常廣闊。

2.2半實(shí)物控制系統(tǒng)介紹

半實(shí)物主機(jī)燃油粘度控制系統(tǒng)采用由真實(shí)控制儀器/儀表與仿真計(jì)算機(jī)組成的半實(shí)物仿真系統(tǒng)，設(shè)備的主要功能包括：過(guò)程控制訓(xùn)練、正常操作訓(xùn)練及系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析、PID等參數(shù)的工程整定訓(xùn)練、故障分析和排除訓(xùn)練、新型控制技術(shù)的研究等。

半實(shí)物控制系統(tǒng)硬件組成如圖1所示，仿真系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。

圖1　半實(shí)物主機(jī)燃油粘度控制系統(tǒng)

表1　仿真系統(tǒng)主要參數(shù)名稱

3　開(kāi)發(fā)工具介紹

本半實(shí)物控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，控制器要實(shí)現(xiàn)“操作模式”、“控制方式”、“開(kāi)關(guān)量”、“數(shù)據(jù)量”等方面數(shù)據(jù)的顯示和控制，也要能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)報(bào)警復(fù)位操作。與上位機(jī)（主控計(jì)算機(jī)）的通信選擇具有CAN接口的開(kāi)發(fā)工具。

3.1嵌入式網(wǎng)路模塊“EM9260”（如圖2所示）

圖2　嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊“EM9260”

我們以英創(chuàng)公司的“EM9260”嵌入式網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品為基礎(chǔ)完成控制器的開(kāi)發(fā)?！癊M9260”是英創(chuàng)公司推出的在工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)大有用途的性價(jià)比比較高的嵌入式網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，AT91SAM9260作為其CPU內(nèi)核，完全能滿足工業(yè)級(jí)的應(yīng)用，該產(chǎn)品預(yù)裝Windows CE5.0嵌入式操作系統(tǒng)，Microsoft提供的eVC（+SP4）可以用來(lái)作為開(kāi)發(fā)工具，在“EM9260”上開(kāi)發(fā)自己的應(yīng)用程序。英創(chuàng)針對(duì)“EM9260”提供了整套的低層驅(qū)動(dòng)程序和全面的應(yīng)用程序示例，用戶可以在學(xué)習(xí)示例的基礎(chǔ)上方便快速地開(kāi)發(fā)自己需要的應(yīng)用程序和產(chǎn)品。

CAN接口：“EM9260”產(chǎn)品的CAN通信功能屬于選配，“EM9260”僅僅包含了CAN控制器，CAN接口的物理較簡(jiǎn)單，在“EM9260”產(chǎn)品的評(píng)估底板配置，用戶自己在設(shè)計(jì)應(yīng)用底板時(shí)可參考。應(yīng)當(dāng)注意到CAN接口收發(fā)信號(hào)和一個(gè)USB信號(hào)復(fù)用的管腳，如果不使用CAN通信，管腳配置為USB。該CAN接口能支持CAN2.0B。把該CAN口與CAN接口卡信號(hào)線連接，即可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的通信。

圖3　CAN接口定義

“EM9260”產(chǎn)品安裝了操作系統(tǒng)WinCE，WinCE是微軟公司嵌入式平臺(tái)系統(tǒng)的基礎(chǔ)系統(tǒng)，它是一個(gè)可升級(jí)的操作系統(tǒng)，且是開(kāi)放的，為32位系統(tǒng)。WinCE是有多任務(wù)優(yōu)先級(jí)的嵌入式操作系統(tǒng)，它能夠支持多重任務(wù)和進(jìn)程，在相同時(shí)間系統(tǒng)中WinCE能夠支持32 位的同步進(jìn)程。

軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)為eVC，eVC是微軟公司為嵌入式操作系統(tǒng)提供的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它的功能完善而且能夠免費(fèi)獲取，它與大名鼎鼎的PC 平臺(tái)普遍應(yīng)用的開(kāi)發(fā)工具VC有高度的一致性，而且能夠考慮C/C++的執(zhí)行效率問(wèn)題，所以eVC最適合作為“EM9260”產(chǎn)品的應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)工具。eVC開(kāi)發(fā)環(huán)境和VC非常相像，用戶能夠通過(guò)大量VC資料來(lái)進(jìn)行eVC編程方面知識(shí)的學(xué)習(xí)。但是用eVC和VC開(kāi)發(fā)應(yīng)用的區(qū)別有一些，最明顯的是VC開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序在普通的PC機(jī)上運(yùn)行；eVC所開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序是要在目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行，而不是在PC機(jī)上運(yùn)行。這一區(qū)別是廣大VC使用者和剛接觸嵌入式操作系統(tǒng)WinCE的用戶所不熟悉的。

搭建了英創(chuàng)公司“EM9260”產(chǎn)品所需要的開(kāi)發(fā)環(huán)境，包括硬件環(huán)境和軟件環(huán)境，用以太網(wǎng)將開(kāi)發(fā)用的主機(jī)和英創(chuàng)“EM9260”產(chǎn)品連接后，用戶便能夠用eVC開(kāi)發(fā)調(diào)試自己的應(yīng)用程序了。

3.2“USBCAN-2A”智能CAN接口卡（如圖4所示）

我公司使用的是ZLG公司生產(chǎn)的“USBCAN-2A”智能CAN接口卡，其是集成了2路CAN-BUS的智能型PC-CAN接口卡，兩個(gè)CAN接口均集成有電氣隔離保護(hù)電路，且相互獨(dú)立。CAN接口卡是通過(guò)PC的USB口與CAN網(wǎng)絡(luò)連接，構(gòu)成CAN-BUS節(jié)點(diǎn)。能夠支持5kbps～1Mbps之間波特率。其ZLGCANTest工具可以實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN接口卡的控制和操作。

圖4　USBCAN接口卡

為實(shí)現(xiàn)“USBCAN-2A”接口卡和 CAN-BUS 總線的連接，將兩個(gè) CAN_L 連接，兩個(gè)CAN_H信號(hào)連接便可。對(duì)于分支上的連接，其信號(hào)線長(zhǎng)度應(yīng)在3米以內(nèi)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接如圖5所示。

圖5　CAN-BUS 網(wǎng)絡(luò)

為了增強(qiáng)CAN-BUS通信的可靠性，CAN-BUS結(jié)構(gòu)為直線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，總線端點(diǎn)需要匹配120?的終端匹配電阻；若節(jié)點(diǎn)數(shù)多于2，中間的節(jié)點(diǎn)不需要匹配120的終端匹配電阻?！癠SBCAN-2A”接口卡使用的是PCA82C251收發(fā)器，若CAN-BUS網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)的收發(fā)器不同，那么終端電阻要重新計(jì)算?！癠SBCAN-2A”接口卡內(nèi)未集成 120?的終端匹配電阻；在CAN-BUS網(wǎng)絡(luò)端點(diǎn)上的“USBCAN-2A”接口卡，需要配備120?終端匹配電阻，如圖6所示在“R－”引腳與“R+”引腳間并聯(lián)終端匹配電阻。

圖6　“USBCAN-2A” 位于網(wǎng)絡(luò)終端時(shí)的連接方法

在許多操作系統(tǒng)下“USBCAN-2A”智能 CAN 接口卡均可使用，比如 Win9x/Me、Win2000/XP 等操作系統(tǒng)，同時(shí)Linux2.4、Linux2.6版本的操作系統(tǒng)也支持?！癠SBCAN-2A”隨機(jī)資料中有程序編程接口和應(yīng)用示范代碼，在許多比較通用的開(kāi)發(fā)環(huán)境均有示范，比如VC、Delphi、VB和 C++Builder 等開(kāi)發(fā)平臺(tái)均有示范，極大地方便了各種用戶進(jìn)行各自應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。隨機(jī)資料中的ZLGCANTest通用測(cè)試工具，方便用戶在開(kāi)發(fā)過(guò)程中的數(shù)據(jù)收發(fā)調(diào)試，有CAN-BUS報(bào)文的監(jiān)測(cè)功能，CAN通信調(diào)試界面如圖7所示。

圖7　CAN通信調(diào)試界面

4　CAN通信技術(shù)軟件設(shè)計(jì)

4.1CAN報(bào)文的幀格式

以標(biāo)識(shí)符的長(zhǎng)度不同可以將CAN2.0B幀格式分為標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀，標(biāo)準(zhǔn)幀有11 位標(biāo)識(shí)符，擴(kuò)展幀有29 位標(biāo)識(shí)符。

4.1.1CAN2.0B 標(biāo)準(zhǔn)幀

CAN標(biāo)準(zhǔn)幀為11個(gè)字節(jié)，包括信息和數(shù)據(jù)兩部分。前3個(gè)字節(jié)為信息部分，如表2所示。

表2　CAN2.0B 標(biāo)準(zhǔn)幀格式

4.1.2CAN2.0B擴(kuò)展幀

CAN擴(kuò)展幀為13個(gè)字節(jié)，包括信息和數(shù)據(jù)兩部分。前5個(gè)字節(jié)為信息部分，如表3所示。

4.2CAN通信應(yīng)用協(xié)議

在了解了CAN通信數(shù)據(jù)格式后，便需要結(jié)合應(yīng)用對(duì)象進(jìn)行應(yīng)用協(xié)議的制定，以便上位機(jī)和下位機(jī)按照同一個(gè)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的操作。由于CAN通信數(shù)據(jù)量大，使用方式多變，在此僅僅給出一種通信應(yīng)用協(xié)議舉例。

表4　CAN通信應(yīng)用協(xié)議表

4.3啟動(dòng)CAN 通信接口

CAN 通信的驅(qū)動(dòng)程序采用了（StreamDevice Driver），另外為客戶封裝了一套實(shí)用性非常強(qiáng)的API函數(shù)。can_api.h中有函數(shù)的定義，每個(gè)API函數(shù)均有解釋。在使用API函數(shù)時(shí)，需要調(diào)用CreateFile（…）來(lái)得到CAN 接口設(shè)備的句柄（handle）。例如使用CAN1 ，可使用：m_hCAN=CreateFile（_ T（“CAN1：”），GENERIC_READ|GENERIC_WRITE，0，NULL，OPEN_EXISTING，0，NULL）；對(duì)于CAN2通信口，只需將其中的名稱換成：_T（“CAN2：”）即可。創(chuàng)建CAN設(shè)備，并返回有效的句柄（handle）后，然后便可調(diào)用can_api.h中定義的函數(shù)來(lái)啟動(dòng)CAN接口，BOOL CAN_StartChip（HANDLE hDevice）；CAN接口進(jìn)入工作模式。

4.4設(shè)置CAN參數(shù)

為了使用CAN接口進(jìn)行通信，要進(jìn)行設(shè)置CAN接口的參數(shù)，如CAN通信的波特率和接收過(guò)濾器。BOOL CAN_ SetBaudRate（HANDLE hDevice，BYTE *index）；函數(shù)可以用來(lái)設(shè)置波特率，波特率設(shè)置的范圍為：10kbps到1Mbps。can_api.h文件中對(duì)函數(shù)的注釋更加具體。用戶開(kāi)發(fā)時(shí)可調(diào)用下列函數(shù)來(lái)設(shè)置接收過(guò)濾器：

BOOL CAN_SetGlobalAcceptanceFilter（HANDLE hDevice，BYTE *AcceptanceFilter，BYTE size）

4.5CAN通信接口的數(shù)據(jù)收發(fā)

在CAN通信中，CAN數(shù)據(jù)的收發(fā)均采用中斷方式，驅(qū)動(dòng)程序中包含數(shù)據(jù)的收發(fā)，以及CAN接收和發(fā)送緩沖區(qū)的管理。用戶開(kāi)發(fā)應(yīng)用只要調(diào)用英創(chuàng)公司API函數(shù)中的收發(fā)函數(shù)便可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。

需要說(shuō)明的是在進(jìn)行CAN數(shù)據(jù)收發(fā)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中 ，有兩種方式能夠?qū)崿F(xiàn)CAN數(shù)據(jù)接收：一種是定時(shí)查詢，即以一定頻率調(diào)用函數(shù)CAN_GetNextReceivedFrame（…）；一種是利用系統(tǒng)的消息機(jī)制，用事件響應(yīng)方式，當(dāng)硬件接收到數(shù)據(jù)報(bào)文，底層驅(qū)動(dòng)接收程序自動(dòng)讀取報(bào)文數(shù)據(jù)，同時(shí)發(fā)送接收事件。應(yīng)用程序的接收線程得到該事件便調(diào)用CAN_GetNextReceivedFrame（…），進(jìn)行CAN數(shù)據(jù)的讀取。執(zhí)行一次CAN_GetNextReceivedFrame，僅僅得到一幀CAN報(bào)文，若應(yīng)用程序要把最新數(shù)據(jù)全部接收，需要反復(fù)調(diào)用此函數(shù)，直至函數(shù)的返回值為FALSE。在讀取了一幀CAN 數(shù)據(jù)后，需要將數(shù)據(jù)中的值按照預(yù)先的協(xié)議進(jìn)行賦值，利用結(jié)構(gòu)體和聯(lián)合體可以進(jìn)行該關(guān)鍵部分的數(shù)據(jù)賦值工作。CAN數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)體和聯(lián)合體使用代碼舉例：

發(fā)送CAN報(bào)文相對(duì)容易，應(yīng)用程序中調(diào)用函數(shù)CAN_ SendFrame（…）便可以。

5　總結(jié)

本文介紹了CAN通信技術(shù)的相關(guān)知識(shí)，以及CAN通信技術(shù)在半實(shí)物主機(jī)燃油粘度控制系統(tǒng)上的應(yīng)用，并詳細(xì)介紹了嵌入式模塊和“USBCAN-2A”智能CAN接口卡的開(kāi)發(fā)方法，以及CAN數(shù)據(jù)幀應(yīng)用層協(xié)議舉例，對(duì)有意使用CAN通信技術(shù)的讀者有一定的借鑒意義。

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The Application of CAN Communication Technology in the Control System of Semi-physical Engine Oil Viscosity

This paper introduces the application of the CAN communication technology in the control system of semi-physical engine oil viscosity，which includes the CAN communication tools，the embedded development platform and the development environment，the hardware interface design principles，the software design methods and the communication protocols，etc.

CAN；Control；Software；Communication protocol

B

1003-0492（2016）07-0074-04

TP29

陳林（1987-）男，河北人，工程師，碩士研究生，現(xiàn)就職于中國(guó)船舶重工第七一〇研究所，主要研究方向?yàn)榇白詣?dòng)化。