一、引言

目前我國北方許多城市已經(jīng)或者即將進(jìn)行熱網(wǎng)改造工程，將傳統(tǒng)的分散供熱改造為集中供熱。

隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展及其在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的不斷深入,傳統(tǒng)的DCS將會被新一代的現(xiàn)場總線式集散控制系統(tǒng)(Field Distributed Control System ,FDCS) 所取代。經(jīng)過對目前比較有影響的幾種現(xiàn)場總線技術(shù)進(jìn)行研究，在分析對比的基礎(chǔ)上，選擇了CAN總線作為熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備層通信總線。CAN總線(Controller Area Network) 䘎其他總線相比有如下特點(diǎn):

(1)    CAN為多主方式工作；

(2)    廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼,而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼；

(3)    數(shù)據(jù)段長度最多為8個(gè)字節(jié), 保證了通信的實(shí)時(shí)性；

(4)    CAN的每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其它檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。

本文介紹的是針對熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)的現(xiàn)場控制和通信的子系統(tǒng),能安全可靠地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、閉環(huán)控制及數(shù)據(jù)傳輸。鑒于篇幅,本文重點(diǎn)介紹CAN網(wǎng)絡(luò)通信部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

二、熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其硬件構(gòu)成

2．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)主要由上位機(jī)和現(xiàn)場控制器組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

    熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)是在一次設(shè)備(傳感器、變送器、各種執(zhí)行機(jī)構(gòu))的基礎(chǔ)上完成對熱網(wǎng)的監(jiān)測與控制，通過調(diào)節(jié)供熱管網(wǎng)的供水流量、供水溫度、供水壓力，保證熱網(wǎng)安全、可靠、高效、穩(wěn)定的運(yùn)行。根據(jù)上述要求，本系統(tǒng)在保證系統(tǒng)可靠工作和降低成本的條件下，考慮到通用性、實(shí)時(shí)性和可擴(kuò)展性等方面的因素，采用了主要由上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和現(xiàn)場控制器構(gòu)成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

    系統(tǒng)工作過程如下:上位機(jī)首先初始化CAN網(wǎng)卡,設(shè)置網(wǎng)卡工作模式、接收碼、接收掩碼和波特率,然后進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài),在適當(dāng)條件下與現(xiàn)場控制器進(jìn)行通信。現(xiàn)場控制器主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與處理、現(xiàn)場設(shè)備的控制等功能,并以查詢或中斷方式與主機(jī)進(jìn)行通信。

2．2 硬件系統(tǒng)

CAN網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用總線式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單、成本低，系統(tǒng)可靠性高。信息的傳輸采用CAN通信協(xié)議，通信介質(zhì)采用雙絞線。

1．上位機(jī)

    上位計(jì)算機(jī)采用工控機(jī)，其負(fù)責(zé)對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行管理。上位機(jī)通過CAN網(wǎng)卡與現(xiàn)場控制器通信，同時(shí)通過局域網(wǎng)或者公共電話交換網(wǎng)與整個(gè)工廠或者公司的計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)信息共享。上位機(jī)具有組態(tài)、數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)置、遠(yuǎn)程控制、流程顯示、數(shù)據(jù)存儲、趨勢顯示、報(bào)表打印、通信等功能。

2．CAN網(wǎng)卡

CAN網(wǎng)卡是負(fù)責(zé)CAN總線與PC機(jī)之間數(shù)據(jù)交換的功能模塊。CAN網(wǎng)卡上存在兩個(gè)方向的數(shù)據(jù)交換：CAN網(wǎng)卡與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換(通過雙端口RAM實(shí)現(xiàn))以及CAN網(wǎng)卡與CAN總線之間的數(shù)據(jù)交換(由微處理器通過訪問CAN控制器的接收緩沖區(qū)以及發(fā)送緩沖區(qū)來實(shí)現(xiàn))。CAN網(wǎng)卡上的CAN控制器選用的是PHILIPS公司的SJA1000芯片。

3．現(xiàn)場控制器

現(xiàn)場控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場控制器的結(jié)構(gòu)框圖

    該現(xiàn)場控制器具有14路模擬量輸入端口、2路模擬量輸出端口、4路開關(guān)量輸入端口、4路開關(guān)量輸出端口以及時(shí)鐘接口、數(shù)據(jù)存儲接口、液晶顯示接口、網(wǎng)絡(luò)通信接口、報(bào)警輸出接口等。本系統(tǒng)采用TI公司的帶有10位A/D轉(zhuǎn)換器和CAN控制器的DSP芯片TMS320LF2407A作為CPU。

    網(wǎng)絡(luò)通信接口單元是用來對CAN總線進(jìn)行讀寫訪問的一部分控制電路。當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，中央處理單元將數(shù)據(jù)交給網(wǎng)絡(luò)接口單元電路，由網(wǎng)絡(luò)接口單元電路進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、串并轉(zhuǎn)換和信號形式轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)按照CAN協(xié)議信號形式發(fā)送到CAN總線上。當(dāng)CAN總線上有數(shù)據(jù)時(shí)，它負(fù)責(zé)從CAN總線上讀取數(shù)據(jù)。首先通過幀過濾功能判斷是否接收此幀，若接收，則通過與發(fā)送相反的過程，將數(shù)據(jù)交給中央處理單元。

    網(wǎng)絡(luò)通信接口單元主要由TMS320LF2407A片內(nèi)的CAN控制器及CAN收發(fā)器82C250組成。CAN控制器負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)的鏈路層格式轉(zhuǎn)換和串并轉(zhuǎn)換，承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)通訊的控制任務(wù)。CAN收發(fā)器82C250是CAN控制器和物理總線間的接口，負(fù)責(zé)信號的電平及形式轉(zhuǎn)換，可以提供對總線的差動(dòng)發(fā)送能力和對CAN控制器的差動(dòng)接收能力。為防止CAN總線上的干擾進(jìn)入板卡，本系統(tǒng)采用光電隔離器件6N137來實(shí)現(xiàn)收發(fā)雙向隔離。網(wǎng)絡(luò)通信接口單元具體電路如圖3所示。

三、CAN通信軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    CAN遵從OSI模型，按照OSI基準(zhǔn)模型，CAN結(jié)構(gòu)劃分為兩層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，即使只是實(shí)現(xiàn)簡單的基于CAN的分布式系統(tǒng)，僅有物理層和數(shù)據(jù)鏈路層是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。比如對于傳輸長度超過8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)塊、帶有握手協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸過程、標(biāo)識符分配、通過網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點(diǎn)等，這些功能就不能實(shí)現(xiàn)。

因此需要在這兩層之外附加一層來支持應(yīng)用過程，即“應(yīng)用層”。這一層功能對應(yīng)OSI基準(zhǔn)模型中的上五層，主要完成網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層的工作，提供接口，使得通信模塊和具體應(yīng)用模塊分離。針對熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)用層協(xié)議需要通信雙方具體協(xié)商制定。

 圖4 標(biāo)識符分配方案

3．1 CAN通信應(yīng)用層協(xié)議

    現(xiàn)場控制器軟件設(shè)計(jì)中與上位機(jī)的通信是最關(guān)鍵的部分之一。針對熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)過通信雙方具體協(xié)商制定，使用現(xiàn)場總線CAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，制定了CAN應(yīng)用層協(xié)議。應(yīng)用層完成的主要工作有：標(biāo)識符分配、多報(bào)文數(shù)據(jù)包的處理、報(bào)文發(fā)送與接收等。

1．  標(biāo)識符分配方案

TMS320LF2407A支持CAN 2.0B協(xié)議，本系統(tǒng)通信的信息幀采用擴(kuò)展幀，具有29位標(biāo)識符，標(biāo)識符分配方案如圖4所示。

其中，DIR表示方向。DIR=0時(shí)，表示主站向從站發(fā)送數(shù)據(jù)；DIR=1時(shí)，表示從站向主站發(fā)送數(shù)據(jù)。TYPE為報(bào)文幀類型，當(dāng)TYPE.2=0時(shí)，表示點(diǎn)對點(diǎn)發(fā)送；TYPE.2=l時(shí)，表示廣播發(fā)送。當(dāng)TYPE.1～TYPE.0=0Xb時(shí)，表示單幀報(bào)文；=11b時(shí)，表示非結(jié)束多幀報(bào)文；=10b時(shí)，表示結(jié)束多幀報(bào)文。另外還有目標(biāo)地址和源地址各七位，命令符八位。命令符是用來標(biāo)識上位機(jī)對現(xiàn)場控制器的控制命令，或現(xiàn)場控制器對上位機(jī)的上傳命令。

2．  報(bào)文的處理

本文對CAN通信中的報(bào)文處理做了以下規(guī)定：

（1）單報(bào)文：

單報(bào)文由標(biāo)識符中的數(shù)據(jù)類型TYPE.1決定，當(dāng)其為0時(shí)表示為單報(bào)文，此時(shí)待傳送的數(shù)據(jù)不超過8個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)段中為實(shí)際傳送的數(shù)據(jù)。

（2）多報(bào)文的首幀和中間幀：

多報(bào)文的首幀和中間幀由TYPE.1～TYPE.0決定，當(dāng)其為11b時(shí)表示為非結(jié)束多報(bào)文，即為多報(bào)文的首幀和中間幀，此時(shí)待傳送的數(shù)據(jù)超過8個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)段中第1個(gè)字節(jié)為索引項(xiàng)，后7個(gè)字節(jié)為傳送的數(shù)據(jù)。

（3）多報(bào)文的尾幀：
     多報(bào)文的尾幀由TYPE.1～TYPE.0決定，當(dāng)其為10b時(shí)表示為結(jié)束多報(bào)文，即為多報(bào)文的尾幀，此時(shí)規(guī)定該幀中數(shù)據(jù)長度為2個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)段中第1個(gè)字節(jié)為索引項(xiàng)，第2個(gè)字節(jié)為待傳送數(shù)據(jù)的總長度，單位為字節(jié)。

3．2 CAN通信初始化

 CAN通信初始化主要是設(shè)置CAN的通信參數(shù)，包括配置位定時(shí)器和初始化郵箱兩部分。需要初始化的寄存器有：位配置寄存器2、位配置寄存器1、標(biāo)識符寄存器、控制寄存器、局部屏蔽寄存器等。需要注意的是，只有當(dāng)全局狀態(tài)寄存器中的改變配置使能位為高時(shí)，才能配置位定時(shí)器；當(dāng)主控制器中的改變配置請求位為1，即CAN控制器處于復(fù)位工作方式時(shí)，才能配置標(biāo)識符寄存器、控制寄存器和數(shù)據(jù)域。在訪問位配置寄存器時(shí)，由于其內(nèi)容決定波特率的數(shù)值，位配置寄存器的初始化字必須依據(jù)系統(tǒng)中各CAN控制器的晶振頻率而設(shè)定。配置位定時(shí)器和初始化郵箱的的流程圖分別如圖5（a）和（b）所示。