摘要：針對某網(wǎng)架安全監(jiān)測的需要設計了分布式健康狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，介紹了在分布式系統(tǒng)中利用控制器局域網(wǎng)(CAN)組建分布式通信網(wǎng)絡模塊的方案。詳細闡述了基于CAN總線控制器SJAl000的采集系統(tǒng)設計方案及具體的硬件電路設計，并解決了在軟件設計中容易碰到的問題。

在某大網(wǎng)架結構的建筑中，由于網(wǎng)架結構的特殊性及其所處地理位置在沿海臺風多發(fā)地帶，因此需要設計高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對網(wǎng)架結構的健康狀況進行實時監(jiān)測，并對數(shù)據(jù)進行實時分析和評估。由于需要對網(wǎng)架上受力情況進行多點監(jiān)測，考慮到硬件集中控制擴展能力差且在現(xiàn)場施工有較大的布線困難，因此本系統(tǒng)采用目前廣泛應用的分布式系統(tǒng)設計方案，將各個控制單元分布在現(xiàn)場各采集點上。為了實現(xiàn)分布式系統(tǒng)的監(jiān)測與控制功能，需要建立良好的通訊方式，以完成系統(tǒng)主機與各智能單元之間的信息交換與通信。根據(jù)本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點，其通信系統(tǒng)應具有良好的可靠性、適應性、可擴展性和簡單的連接方式，并能滿足長距離傳輸?shù)男枰?。由于此?shù)據(jù)采集系統(tǒng)節(jié)點數(shù)多(100路)、對信號傳輸速度要求高且誤碼率低，利用485總線搭建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的傳統(tǒng)方式，其最大控制結點只能有32個，在超過lkm的布線結構中傳輸速度只有l(wèi)OOkbps，且“數(shù)據(jù)碰撞”和“死鎖”等問題不易解決，因此采用485總線顯然達不到設計要求。

    相對于傳統(tǒng)的485總線來講，控制器局域網(wǎng)CAN(Controller Area Network)作為現(xiàn)場總線的一種，以其分時多主、非破壞性總線仲裁和自動檢錯重發(fā)等靈活、可靠的通信技術解決了485總線現(xiàn)場調試困難、開發(fā)周期長等問題[1]。尤其在較為艱苦的安裝環(huán)境中，其高效的現(xiàn)場調試性能顯得尤為實用。作為一種分散式、數(shù)字化、雙向多點、具有高速率高可靠性特點的通信系統(tǒng)，CAN可以構建靈活的多主通訊機制，也可以建立主從式結構，而且這兩種方式下的硬件物理聯(lián)接完全相同。其自動進行數(shù)據(jù)編碼、CRC冗余校驗、出錯自動重發(fā)的功能保證了數(shù)據(jù)的準確率，某一節(jié)點嚴重出錯時能自動脫離總線保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且其具有極強的帶負載能力，可驅動多達110個節(jié)點，可滿足本系統(tǒng)高速、精確、多負載的要求。

1 采集卡硬件電路的設計

1．1 CAN總線分布式系統(tǒng)結構設計

系統(tǒng)結構如圖1所示。本系統(tǒng)由上位監(jiān)控PC機、CAN總線適配卡和控制單元三部分組成。上位監(jiān)控PCs機采用IBM-PC兼容機，主要負責對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接收與管理、控制命令的發(fā)送以及各控制單元動態(tài)參數(shù)和設備狀態(tài)的實時顯示；CAN總線適配卡可以使PC機方便地連接到CAN總線上；控制單元以單片機為核心，主要負責對現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)和設備狀態(tài)進行監(jiān)測，對采集來的數(shù)據(jù)進行打包處理并將處理過的數(shù)字信號通過CAN通信控制器SJA1000送入CAN總線。

1．2 控制單元模塊設計及關鍵問題的解決

控制單元的主要功能是將現(xiàn)場采集的模擬信號轉換成數(shù)字信號，通過CPU處理后再由CAN總線控制器打包送上CAN總線以便上位機接收處理；接收上位機控制信號，實現(xiàn)現(xiàn)場控制的具體操作。具體需要解決的問題為：①CAN模塊設計；②A／D模塊設計。

1．2．1 CAN模塊設計

控制單元以8位單片機AT89C51為核心，選用器件SJA1000作為CAN控制器，并選用芯片82C250和6N137作為CAN控制器接口和光耦隔離。硬件電路如圖2所示。

系統(tǒng)采用的CAN總線通信控制器SJA1000是PHILIPS公司生產(chǎn)的一種獨立式CAN器件，其原理框圖如圖3所示。它與CAN2．OB相兼容[1]，同時支持11位(BasicCAN模式)和29位(PeliCAN模式)識別碼。

圖2中AT89C51單片機的ALE、WR、RD端分別控制SJA1000的ALE／AS、WR、RD端，地址和數(shù)據(jù)線ADO～AD7由P0口分時復用實現(xiàn)。SJA1000的中斷請求信號INT在中斷允許且有中斷發(fā)生時，由高電來此跳變到低電平，所以INT和AT89C51的INT0直接相連。片選信號CS由GAL譯碼電路控制，當CS接到低電平時，SJA1000被選中，CPU可對SJA1000進行讀／寫操作。為了增強控制節(jié)點的抗干擾能力，防止線路間串擾，SJA1000通過光耦6N137與82C250相連，從而使總線上各個CAN節(jié)點之間實現(xiàn)隔離，以保護CAN控制器正常工作。82C250是CAN總線收發(fā)器，是CAN控制器SJA1000正常工作與CAN總線的接口器件，對CAN總線以差分方式發(fā)送。其引腳RS用于選擇82C250的工作模式(高速、斜率控制或等待)。RS腳接地，82C250工作于高速方式，RS腳串接一個電阻R后再接地，若82C250處于CAN總線的網(wǎng)絡終端，總線接口部分必須加一個120Ω的匹配電阻，以保護82C250免受過流的沖擊。

1．2．2 A／D模塊設計

A／D芯片選用12位高速采集芯片AD574。在本設計中，A／D模塊的功能是將外部模擬信號通過AD574轉換成數(shù)字信號后并行輸入到AT89C51，然后AT89C51將其打包，并行輸出至CAN總線通信控制器SJA1000，經(jīng)總線收發(fā)器至CAN總線。其監(jiān)控電路采用DS1232，它具有電源監(jiān)控、手動復位和看門狗功能，還能同時輸出高低電平的兩路復位信號，分別輸出至AT89C51和SJA1000的復位端，以滿足本次設計的要求。

2 軟件設計

本健康監(jiān)測系統(tǒng)要求軟件部分具有現(xiàn)場數(shù)字信號顯示、檢測并驅動現(xiàn)場信號設備等功能。在本設計中主要完成兩部分任務：第一是PC機部分的上位機顯示，主要通過集成開發(fā)環(huán)境軟件設計出上位機監(jiān)視顯示界面，其重點在于PC機與現(xiàn)場節(jié)點間的通信；第二是現(xiàn)場節(jié)點控制設計，即設備驅動功能的實現(xiàn)，目的是能接收上位機的控制信號，使現(xiàn)場節(jié)點按既定的工作方式工作。

根據(jù)系統(tǒng)的工作要求，工作重點包括CAN總線通信程序、看門狗的初始化、A／D采樣控制程序、執(zhí)行機構控制程序和控制算法等，主要流程如圖4所示。限于篇幅，這里著重介紹SJA1000初始化程序設計、發(fā)送程序設計、接收程序設計以及A／D轉換程序的設計。

2．1 SJA1000初始化設計

初始化流程圖如圖5所示。AT89C51上電或復位后，調用復位程序給SJA1000的復位端(RST)提供復位信號，使SJA1000進入復位模式。SJA1000的初始化只有在復位模式下才可以進行。初始化程序主要完成以下寄存器的設計：(1)通過對SJA1000的時鐘分頻寄存器定義，判斷是使用BassicCAN模式還是使用PeliCAN模式；是否使能CLOCKOUT及輸出時鐘頻率；是否使用旁路CAN輸入比較器；TX1輸出是否采用專門的接收中斷。(2)通過寫驗收碼寄存器和驗收屏蔽寄存器定義接收報文的驗收碼，以及對報文和驗收碼進行比較的相關位定義驗收屏蔽碼。(3)通過寫總線定時寄存器定義總線的位速率、位周期內(nèi)的采樣點和一個位周期內(nèi)的采樣數(shù)量。(4)通過寫輸出寄存器定義CAN總線輸出管腳TX0、TX1的輸出模式和輸出配置。(5)清除SJA1000的復位請求標志，進入正常工作模式，這樣SJA1000方可進行報文的發(fā)送和接收。

2.2 發(fā)送和接收程序設計

單片機將要發(fā)送的報文送到SJA1000的發(fā)送緩沖區(qū)，然后將SJA1000命令寄存器的發(fā)送請求標志位(TR)置位，發(fā)送過程由SJA1000獨立完成。在新報文寫入發(fā)送緩沖區(qū)之前，必須檢查狀態(tài)寄存器的發(fā)送緩沖器的狀態(tài)標志位(TBS)，若為“1”，則發(fā)送緩沖器被釋放，可將新的報文寫入發(fā)送緩沖器；否則，發(fā)送緩沖器被鎖定，新的報文不能被寫入，發(fā)送程序可以采用中斷方式和查詢方式。在本次設計中，采用的是查詢方式。

報文的接收也是由SJA1000獨立完成的。收到的報文通過接收濾波器存放在FIFO中，第一條報文進入接收緩沖器，由狀態(tài)寄存器的接收緩沖器狀態(tài)標志位(RBS)和接收中斷標志位(RI)標出。單片機從接收緩沖器取走一條報文后，要通過置位SJA1000的命令寄存器來釋放接收緩沖器。在本次設計中，接收程序的設計采用的是中斷方式。

    2．3 A／D轉換設計

在本次設計中采用的是12位逐次逼近型A／D轉換器AD574。以查詢方式設計程序，通過連續(xù)查詢A／D轉換結束標志位判斷轉換是否結束。當轉換結束時，將數(shù)據(jù)送人CPU中進行處理，并將處理后的數(shù)據(jù)保存至6264芯片。

基于CAN總線設計的高速分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有一定的使用價值，而且價格低廉、可靠性高。同時系統(tǒng)還具有可擴展性，在需要多通道采集的情況下只需添加少量的采樣保持芯片即可。通過對該總線系統(tǒng)的通信能力進行測試，并將上述系統(tǒng)置于強干擾環(huán)境中進行連續(xù)實驗，發(fā)現(xiàn)使用的通信速率完全可以保證數(shù)據(jù)的實時可靠傳輸，其通信效果完全滿足要求，同時上位機和底層節(jié)點也能夠保證相互間的協(xié)調工作。