黃育和 佘鵬 張立平

（廣東省科學院自動化工程研制中心）

1 引言

控制器局域網（Control Area Network,CAN）現場總線具有優(yōu)先搶占總線仲裁的優(yōu)勢。其可靠性高、開放性強、組網靈活、成本較低、具有良好的實時性及傳輸防錯能力，真正實現了全數字化的雙向傳輸。利用CAN總線更容易實現“集中監(jiān)控，分散控制”這一現代工業(yè)的新型控制方式[1]。

CAN總線具有許多突出的性能優(yōu)點[2,3]。CAN協(xié)議建立在 ISO開放系統(tǒng)互聯(lián)模型的基礎上，但只取OSI模型結構的物理層、數據鏈路層和應用層。通常，CAN控制器負責物理層和數據鏈路層，而應用較廣泛的應用層協(xié)議有CANopen、DeviceNet等。CANopen由CiA（CAN in Automation）組織制定和發(fā)布，是一個基于CAL的子協(xié)議。其采用面向對象的思想設計，具有很好的模塊化特性和很強的適應性，不僅定義了應用層和通信子協(xié)議，而且為可編程系統(tǒng)、不同設備、接口、應用子協(xié)議定義了大量的規(guī)范，遵循該規(guī)范開發(fā)的設備能夠實現不同產品間的互連、互操作[4～6]。另外，CANopen協(xié)議是完全免費開放的，用戶開發(fā)此類產品，無需支付版稅。隨著對CANopen協(xié)議研究的深入，其應用越來越廣泛[7]。依據CiA規(guī)范，國內廠家開發(fā)了基于 CANopen協(xié)議的伺服驅動器、PLC、變頻器等產品，如：深圳步進科技有限公司的KINCO ED系列伺服驅動器；和利時公司的PLC產品 HOLLiAS-LEC G3系列可編程控制器；臺達VFD-E-C系列變頻器。

溫度既是自然界中一個重要的模擬量，又是科學研究中一個重要的基本物理量。同時溫度又是一個與人們生活環(huán)境、生產活動密切相關的量，在很多情況下都需要對溫度進行準確測量，以滿足各種要求[8]。溫度監(jiān)測在土木建筑施工、儲糧倉庫、智能樓宇、空調系統(tǒng)及其它工農業(yè)生產中有著廣泛的應用。隨著CANopen技術的普及應用，研制基于CANopen協(xié)議的多通道溫度測量模塊有利于提高自動化領域國產設備的占有率，為應用CAN總線的系統(tǒng)提供必備的硬件基礎設備。同時隨著CANopen總線系統(tǒng)廣泛應用于工業(yè)控制系統(tǒng)，該類設備具有一定的市場前景。

2 多通道溫度測量模塊的硬件結構

2.1 多通道溫度測量模塊的硬件結構組成

多通道溫度測量模塊是嵌入式系統(tǒng)的一個典型應用，其硬件電路主要包括：人機接口、溫度測量接口、CAN接口、聯(lián)動輸出、電源變換、單片機及其外圍輔助電路，如圖1所示。

圖1 多通道溫度測量模塊硬件結構

人機接口實現的主要功能包括：各測量點溫度值顯示、模塊系統(tǒng)參數配置操作與顯示及CANopen節(jié)點工作狀態(tài)指示。如圖1所示，模塊的人機接口電路由按鍵、液晶顯示屏（CM19264）和發(fā)光二極管組成。

聯(lián)動輸出由繼電器及其驅動電路組成，主要實現模塊所測溫度超出用戶預設范圍時輸出報警。電源變換電路則為各功能電路提供電源，具體包括支持MCU、數字溫度傳感器、液晶顯示屏的5V電源、CAN總線側隔離電源、繼電器24V工作電源等。

2.2 測量模塊關鍵元器件的選用及電路設計

2.2.1 嵌入式微控制器的選型

圖1的硬件結構中，除CAN通訊以外，其它應用（如溫度傳感器接口、LCD接口等）對嵌入式微處理器的端口均無特殊要求。文獻[9]、[10]指出：CAN嵌入式節(jié)點電路設計中，可采用獨立控制器+MCU或者直接使用內嵌CAN控制器的微處理器這兩種設計方案。同時，文獻[9]認為內嵌CAN控制器的微控制器設計方案是CAN智能節(jié)點設計的首選方案。

綜合分析多通道溫度測量模塊的功能需求，結合以往開發(fā)和應用經驗，設計中嵌入式微控制器選用Atmel公司的單片機AT90CAN128。關于該微處理器性能、功能及相關應用，文獻[10]～[13]有詳細描述。

2.2.2 溫度測量器件的選用

按照輸出信號的模式，集成溫度傳感器可大致劃分為三大類：模擬式、邏輯輸出式和數字式[8]。模擬式集成溫度傳感器即傳統(tǒng)的模擬溫度傳感器（如熱電偶），在一定溫度范圍內線性不好，需進行冷端或引線補償，熱慣性大且響應時間長；邏輯輸出式集成溫度傳感器適用于無需嚴格測量溫度值，只注重溫度是否超出設定范圍的場合；而數字式集成溫度傳感器在20世紀90年代中期出現，是微電子技術、計算機技術和自動測試技術的結晶。目前市場上有多種數字溫度傳感器系列產品可供選擇。

模塊采用1-Wire總線器件DS18B20實現多點溫度測量功能。DS18B20是美國DALLAS公司生產的數字溫度傳感器，測溫范圍為-55℃～125℃，在-10℃～85℃范圍時精度達±0.5℃；轉換時間為750ms[14]。據文獻[15]～[19]的報導，DS18B20在國內許多設備和場合得到廣泛應用。盡管一條線上允許并接多個DS18B20，但在開發(fā)中，設計了4路DS18B20數字溫度傳感器接口（每路允許接入4只傳感器），以適用不同應用的需求。

2.3 CAN接口與驅動電路

CAN接口與驅動電路設計的關鍵是CAN總線驅動芯片選型和隔離電路設計。設計中選用恩智浦（NXP）公司的TJA1040T芯片作為CAN驅動器。隔離電路方面，文獻[12]、[13]與[22]介紹了以光電耦合器為核心的電路，此類電路存在元器件較多、光耦電流傳輸比離散大、電路匹配電阻調整困難等缺點。

模塊設計采用Analog Devices公司的iCoupler磁耦隔離技術的雙通道數字隔離器ADuM1201。與光電耦合器比較，ADuM1201具有更高的數據傳輸速率、時序精度和瞬態(tài)共模抑制能力，更低的功耗和更小的體積，并消除了光電耦合器不穩(wěn)定的電流傳輸比、非線性傳輸、溫度和使用壽命等方面的問題[23]。CAN接口驅動電路如圖2 所示。

3 多通道溫度測量模塊嵌入式軟件的實現

3.1 多通道溫度測量模塊嵌入式軟件組成

嵌入式程序開發(fā)在AVR Studio V4.18集成環(huán)境下進行，由LCD顯示處理、按鍵操作處理、數字溫度傳感器處理、CANopen協(xié)議實現程序、LED指示程序和繼電器輸出處理模塊組成，其結構如圖3 所示。

LCD顯示和按鍵處理程序實現的功能包括：參數設置/查詢、工作狀態(tài)、各傳感器溫度顯示、顯示界面切換等。其中模塊參數包含 CANopen工作參數、DS18B20邏輯編號、繼電器輸出鏈接關系設定等。

圖2 CAN接口驅動電路

數字溫度傳感器處理程序實現 DS18B20驅動和數據處理。其中 DS18B20驅動程序在文獻[16]～[21]均有介紹。設計中，針對4路端口使用同一MCU定時器來產生DS18B20通信所需的時序波形。數字傳感器轉換時間為 750ms，若 MCU順序依次與DS18B20進行通信，則整個周期達十多秒，顯然滿足不了模塊對溫度動態(tài)刷新的要求。因此，在程序設計時采用了如下策略：利用傳感器提供的搜索（Skip ROM）指令，先依次啟動4路端口所有DS18B20進行溫度轉換，延時750ms后，通過匹配ROM指令再逐一地讀回每個傳感器的溫度數據。這樣，模塊每一個溫度測量刷新時間都小于1秒。

圖3 多通道溫度測量模塊軟件結構

LED狀態(tài)顯示程序：依據CiA DR 303規(guī)范，將CANopen節(jié)點的狀態(tài)在運行、狀態(tài)和錯誤指示燈上以常亮、常滅或不同頻率閃爍的方式顯示。

聯(lián)動繼電器輸出處理程序：依據參數配置，某組（或某個）溫度傳感器邏輯編號及其溫度范圍關系驅動對應的繼電器，如繼電器A和邏輯1#、2#傳感器建立鏈接關系，且設定溫度超過50℃時報警，則1#或2#傳感器溫度超過50℃時，繼電器A線圈得電。

3.2 CANopen協(xié)議從節(jié)點的軟件功能及實現

如圖3 所示，CANopen協(xié)議處理程序包括：CAN底層驅動、網絡管理（Network Management，NMT）、服務對象數據（Service Data Object，SDO）和過程數據對象（Process Data Object，PDO）處理程序。

實現CANopen協(xié)議嵌入式系統(tǒng)軟件的方法有：① 根據嵌入式控制器選型購買商品化的軟件協(xié)議棧；② 利用支持CAN的通訊處理器自行開發(fā)應用軟件。采用購買“商業(yè)CANopen協(xié)議?！钡姆桨干写嬖诓簧偃秉c。原則上，商業(yè)解決方案的開發(fā)目標之一是可移植性，所提供的協(xié)議棧通常能在很寬的目標系統(tǒng)平臺上運行，包括高端的PC到低端的8位單片機。因此，軟件在接口和資源上進行一些妥協(xié)，增加了不少額外的開銷。從技術積累角度出發(fā)，多通道溫度測量模塊研發(fā)中采用自行開發(fā)CANopen協(xié)議從節(jié)點軟件的方案。協(xié)議軟件實現采用分層法，將程序模塊分為協(xié)議層、通信層和應用層；并將這一思想貫穿于設計、測試和驗證的每一個階段。

CANopen協(xié)議節(jié)點嵌入式軟件設計主要依據CiA DS301（V4.02）和DSP 302（V3.3）來實現。對于 NMT、SPD 和 PDO 等概念，文獻[6]、[7]、[22]與[25]均有介紹。采用USBCAN-Ⅱ雙路智能CAN接口模塊與ZLG CANTEST通用測試軟件進行測試，實現并驗證的CANopen通訊功能包括：① NMT管理功能：最小引導功能，節(jié)點處于NMT從節(jié)點角色，根據配置確定是否上電自引導、是否啟動心跳幀等；② SDO通訊：1個接收服務數據對象（RSDO）、1個發(fā)送服務對象（TSDO），實現主節(jié)點對本模塊的集成配置功能；③ PDO通訊：1個接收過程數據對象（RPDO）用于模塊聯(lián)動輸出的復位或強制輸出；4個發(fā)送過程數據對象（TPDO）分別用于傳送模塊 4路端口測量的溫度值。

4 結束語

多通道溫度測量模塊以AVR微控制器為核心器件，設計具有CAN接口的嵌入式硬件系統(tǒng)；依據CiA規(guī)范設計嵌入式軟件，實現了CANopen協(xié)議從節(jié)點通訊功能。雖然模塊研發(fā)過程中對CANopen通訊進行了多角度的測試，但依據CiA規(guī)范：CANopen節(jié)點通訊功能需要委托 CiA認可的第三方檢驗機構驗證，其檢驗費用昂貴。下一步的工作是：在若干場合，多通道溫度測量模塊與其它基于CANopen協(xié)議的智能設備或儀表（如變頻器、流量計等）集成于一個總線系統(tǒng)，從而在應用現場綜合檢驗其功能和性能。

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