錢  坤  (1983—)
男，安徽人，工學(xué)碩士，(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院， 北京  100083） ，主要從事嵌入式系統(tǒng)及總線方向的研究。

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（30374030）

摘要:介紹了一種虛擬現(xiàn)場總線的測控系統(tǒng)的設(shè)計。設(shè)計中，以CAN總線和無線模塊相結(jié)合的方式，模擬對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和控制。對該測控系統(tǒng)的測試表明，虛擬現(xiàn)場總線能很好的完成現(xiàn)場總線的通信功能。

關(guān)鍵詞:虛擬現(xiàn)場總線；現(xiàn)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(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)最底層的一種總線型拓撲網(wǎng)絡(luò)，它作為智能設(shè)備的聯(lián)系紐帶，把掛接在總線上作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的智能設(shè)備連接為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)基本控制，補償計算，參數(shù)修改，監(jiān)控等綜合自動化功能，且可靠性高，穩(wěn)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(yè)控制領(lǐng)域日新月異的發(fā)展，現(xiàn)場總線得到了越來越廣泛的應(yīng)用，在所有的各類型的總線中，Bosch公司的CAN局域網(wǎng)現(xiàn)場總線是一種比較典型的現(xiàn)場總線。由于CAN總線采用多種新技術(shù)和獨特的設(shè)計，具有突出的可靠性、實時性和靈活性。

    虛擬現(xiàn)場總線本質(zhì)上就是完全透明的無限延長現(xiàn)場總線，用虛擬現(xiàn)場總線組網(wǎng)，可以和現(xiàn)場總線一樣使用，但沒有了節(jié)點數(shù)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(jié)合，組成虛擬現(xiàn)場總線測控系統(tǒng)，對于各控制現(xiàn)場，可以通過CAN總線連接組網(wǎng)，使各個節(jié)點之間可互相通信，完成基本的控制和監(jiān)測；同時，各個智能節(jié)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(shè)備，對各節(jié)點進行控制和監(jiān)測。是現(xiàn)場總線發(fā)展的必然趨勢，有著廣闊的應(yīng)用前景

2 系統(tǒng)的構(gòu)成

    本文介紹的虛擬現(xiàn)場總線測控系統(tǒng)，由三個部分組成：遠程的無線轉(zhuǎn)串口模塊，現(xiàn)場的無線轉(zhuǎn)CAN總線模塊和CAN總線組成的節(jié)點模塊。三個部分相輔相成，共同構(gòu)成整個測控系統(tǒng)。下面具體介紹各個模塊。

    2.1   遠程的無線轉(zhuǎn)串口模塊

    這部分主要完成的任務(wù)是：上位機通過串口和該模塊通信，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，然后再通過無線的方式與現(xiàn)場的CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信，也就是作為數(shù)據(jù)的存儲和轉(zhuǎn)換功能。

    無線數(shù)傳模塊采用上海桑銳電子科技有限公司生產(chǎn)的SRWF－1型微功率無線數(shù)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(nèi)部還有看門狗，除了監(jiān)控自行運行狀況外，還監(jiān)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(shè)計如圖1所示。

3 系統(tǒng)測試

    為了驗證以上方案的性能，設(shè)計了兩個系統(tǒng)測試，以確保整個測控系統(tǒng)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?shù)腃AN總線數(shù)據(jù)進行理解，先介紹一下CAN數(shù)據(jù)幀：CAN控制器SJA1000有BASICCAN和PELICCAN兩種模式，這里用的是BASICCAN模式。CAN數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見表1。其中ID10-ID0是標識符，RTR是判斷數(shù)據(jù)幀和遠程幀的標志，DLC是要發(fā)送數(shù)據(jù)的長度。這里對于DI節(jié)點，發(fā)送的數(shù)據(jù)幀為：4101xx，其中4101對應(yīng)標識符的兩個字節(jié)，是根據(jù)已經(jīng)規(guī)定好的協(xié)議方式進行組裝；xx表示發(fā)送的數(shù)據(jù)，可通過開關(guān)進行調(diào)節(jié)具體的數(shù)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(fā)送4101xx。

    表1  CAN數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

    對系統(tǒng)的測試步驟如下：

    （1）DI的開關(guān)打開及閉合，可控制DO發(fā)光二極管的亮與滅，證明節(jié)點之間的通信正常。

    （2）DI的開關(guān)打開及閉合，通過PC的超級終端，可顯示數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)為4101xx，每撥動一次開關(guān)，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(shù)據(jù)為4924xxxxxxxx。證明CAN總線的數(shù)據(jù)可通過轉(zhuǎn)換器發(fā)送到PC上。

    （3）用PC機上的ADAM軟件，輸入控制數(shù)據(jù)4101xx，可控制DO發(fā)光二極管的亮與滅，證明PC上的控制信息可通過轉(zhuǎn)換器發(fā)送到節(jié)點上。

    以上測試結(jié)果表明，無線測試結(jié)果與有線相同，無線整體測試方案可行。

4  結(jié)束語

    目前現(xiàn)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(xiàn)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(jié)合的方式，組成虛擬現(xiàn)場總線測控系統(tǒng)，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(dǎo)師。

參考文獻:

    [1]饒運濤等，現(xiàn)場總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)[M]，北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

    [2]史久根等，CAN現(xiàn)場總線系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)[M]，國防工業(yè)出版社，2004.

    [3]杜尚豐，曹曉鐘，徐津等，CAN總線測控技術(shù)及其應(yīng)用[M]，北京：電子工業(yè)出版社，2007.

    [4]張迎新，單片微型計算機原理[M]，應(yīng)用及接口技術(shù)，2004.

    [5]龔崇權(quán)，基于現(xiàn)場總線技術(shù)的虛擬儀器開發(fā)[J]，傳感器與儀器儀表，2006,(22):177－178.