基于CAN總線的懸浮控制器監(jiān)控終端的設計

CAN總線是德國Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車中多傳感器和控制器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行總線。由于它通信速率高、通信距離遠、抗干擾能力強，因而適合高干擾環(huán)境。目前CAN總線已廣泛應用于背景干擾較強的控制系統(tǒng)之間的實時通信中。
　　對于多點懸浮控制，控制器的數(shù)目很可能不止一個，控制器所處的電磁環(huán)境一般也比較惡劣。因此，控制器之間的通信方式和通信可靠性是一個必須考慮的問題。由CAN總線組成的網(wǎng)絡具有結構簡單、可靠性高的特點，可以實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播的特點，因此，對于懸浮控制來說，使用CAN網(wǎng)絡作為通信網(wǎng)絡是一個比較理想的選擇。另一方面，處于復雜工作環(huán)境下的數(shù)字控制器很有可能在電磁干擾或電源波動的情況下進入“飛車”狀態(tài)，從而使一點或多點懸浮失敗。這就要求在CAN網(wǎng)絡中設計一個上層的監(jiān)督節(jié)點對這些網(wǎng)絡中的節(jié)點進行有效的監(jiān)督和實時調(diào)整。
　　用計算機的并行接口配合專用的CAN驅動芯片設計的CAN網(wǎng)絡監(jiān)視器/調(diào)試器具有實現(xiàn)方便、界面友好的特點，但在實際的控制現(xiàn)場，這種基于計算機的監(jiān)控系統(tǒng)具有攜帶不方便和造價高等問題。因此，設計一個便攜式的CAN網(wǎng)絡監(jiān)督/調(diào)試器具有較大的實際意義。本文介紹一種基于TMS320LF2407A DSP的便攜式CAN網(wǎng)絡監(jiān)控終端。它具有使用簡單、界面友好、體積小的特點，適合于磁浮列車懸浮控制器的現(xiàn)場監(jiān)督和調(diào)試。
1? 系統(tǒng)簡介
　　對于多點懸浮控制來說，為了降低風險和提高控制靈活性，1個懸浮點一般由1個單獨的控制器控制，各個懸浮點和監(jiān)控節(jié)點的關系如圖1所示。CAN監(jiān)控終端也是CAN網(wǎng)絡中的一個普通節(jié)點，通過雙絞線連入整個網(wǎng)絡。

　　對于每個懸浮點，需要監(jiān)控的參數(shù)一般包括電流、間隙、加速度以及其他一些中間參數(shù)等。根據(jù)不同的控制算法，監(jiān)控的參數(shù)個數(shù)也不一樣。監(jiān)控節(jié)點的任務就是向其中的某個懸浮節(jié)點發(fā)出發(fā)送允許命令，該懸浮節(jié)點在接收到這個命令后，就定時地將傳感器和控制器當前的參數(shù)打包發(fā)送到CAN總線上，然后再由監(jiān)控節(jié)點監(jiān)聽這個節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，并在顯示屏上將接收到的參數(shù)顯示出來。長時間接收還可以將某些參數(shù)，如電流和間隙，以曲線的形式描繪出來，用于對懸浮控制算法的評估。如果需要對當前被監(jiān)控的控制器的某些參數(shù)進行修改，也可以通過CAN監(jiān)控終端的人機接口向目標節(jié)點發(fā)送修改命令。
　　在實現(xiàn)上，CAN監(jiān)控終端的主控芯片選用TI公司的TMS320LF2407A型DSP。該DSP除了具備片內(nèi)資源豐富、運算速度快、成本低、功耗小等特點外，還具備片上CAN模塊，使用方便。數(shù)據(jù)輸出用1塊240×128的LCD液晶屏來實現(xiàn)，可以把各個參數(shù)變化的趨勢用曲線描繪出來，靈活性好。用戶輸入采用行列掃描式鍵盤，使硬件實現(xiàn)和軟件編程均比較方便。
2? 硬件設計
　　系統(tǒng)的硬件組成框圖如圖2所示。從圖中可以看出，TMS320LF2407A DSP是整個電路的核心部件。它是面向實時控制的高性能16位定點DSP，具有32K字的片內(nèi)Flash程序存儲器和2.5K字的片內(nèi)RAM，運算速度可以達到40MIPS，并帶有片上串行通信接口和CAN通信接口等。這些特點為CAN監(jiān)控終端的設計和實現(xiàn)帶來了很大便利。在硬件實現(xiàn)上，考慮到系統(tǒng)對體積和功耗的要求，將所有的DSP程序和LCD的字庫均通過JTAG口直接燒寫在DSP的片內(nèi)Flash中，通電后程序即可直接在片內(nèi)Flash中運行。DSP的晶振頻率選擇6MHz，通過DSP片內(nèi)的PLL鎖相環(huán)4倍頻后使DSP的工作主頻達到24MHz。

　　由于DSP片內(nèi)備有CAN控制器模塊，因此，監(jiān)控終端的CAN模塊設計很簡單，只需在DSP的CANTX和CANRX引腳上接1個CAN驅動芯片即可。這里選用的CAN驅動芯片是PCA82C250。
　　DSP的供電電壓為3.3V，而外圍芯片基本上都是5V，如果將它們直接相連必然會導致電平?jīng)_突。解決的辦法是：在DSP的數(shù)據(jù)總線和外圍接口總線之間用1片LVC4245作為雙向緩沖器。在進行數(shù)據(jù)交換時，DSP的R/W信號控制著LVC4245的數(shù)據(jù)流向。
　　LCD選用240×128點陣的SMG240128A單色液晶屏。它的顯示有效面積比較大，適合于顯示曲線等信息，底層驅動的編寫也比較容易。LCD與DSP的接口采用模擬口線方式，即用2片74HC573分別鎖存數(shù)據(jù)總線和控制總線的數(shù)據(jù)，模擬LCD的驅動時序。LCD的幾個狀態(tài)位直接由DSP的I/O引腳讀入。
　　鍵盤由0～9、A～F、以及SHIFT和ENTER共18個鍵組成，因此在硬件設計上采用5×4的行列掃描方式：即由74HC573提供5個輸出行線，由74HC244提供4個列輸入，由DSP提供行列掃描時序。考慮到電平匹配問題，74HC573和74HC244與DSP數(shù)據(jù)總線之間的連接也是通過LVC4245緩沖。
　　LCD和鍵盤接口的74HC573以及74HC244芯片均由1片GAL通過對DSP的地址總線進行譯碼實現(xiàn)選通，其電路簡單，靈活性好。
　　出于便攜式的要求，系統(tǒng)采用電池供電方式。這里采用5節(jié)可充電5號電池作為電源，正常供電電壓為5～7V，正好符合電源芯片TPS7350的供電要求。由于系統(tǒng)內(nèi)需要3.3V和5V二種供電電源，故這里選用1片低壓差芯片TPS7350作為5V電源的供電芯片，用另一片低壓差芯片TPS7333作為3.3V電源的供電芯片。為防止電池電量不足時導致意外停機事故，這里還采用1片LM311構建了一個電池電量報警電路，以便在電池電壓低于安全電壓時點亮LED報警提示。為了操作方便，所有的硬件電路以及電池等均安裝在一個便攜的塑料外殼中。
3? 軟件設計
　　在圖1所示的CAN網(wǎng)絡結構圖中，數(shù)據(jù)流向大致可以分為二類：各懸浮節(jié)點之間的通信和懸浮節(jié)點與監(jiān)控節(jié)點之間的通信。由于懸浮節(jié)點之間的通信與監(jiān)控終端沒有直接關系，可以不予考慮。需要考慮的是各懸浮節(jié)點與監(jiān)控終端的通信，這就要求在組成CAN網(wǎng)絡時就必須制定一個懸浮節(jié)點和監(jiān)控終端間的通信協(xié)議。在實現(xiàn)時，具體協(xié)議如下：
　　(1)CAN監(jiān)控終端的接收標識符為0，其他懸浮控制節(jié)點的標識符均不得與之沖突；全部節(jié)點使用統(tǒng)一的波特率(50Kbps或500Kbps)；數(shù)據(jù)包的長度統(tǒng)一為8B。
　　(2)CAN監(jiān)控終端向懸浮節(jié)點的數(shù)據(jù)傳送由監(jiān)控終端的撥碼開關指定數(shù)據(jù)包的標識符，各懸浮節(jié)點通過數(shù)據(jù)包的標識符和自身的本地標識符比較以確定是否接收該數(shù)據(jù)包。
　　(3)CAN監(jiān)控終端的監(jiān)聽是開放的，并不需要接收的數(shù)據(jù)包的標識符與自身的標識符一致。但數(shù)據(jù)包內(nèi)第1個字節(jié)指明了發(fā)送該數(shù)據(jù)包的懸浮控制器的標號。如果該標號與撥碼開關指定的標號一致，則繼續(xù)處理其他字節(jié)的內(nèi)容；否則，丟棄該包。數(shù)據(jù)包內(nèi)第2字節(jié)表示參數(shù)的類型，其余字節(jié)是浮點形式的參數(shù)數(shù)據(jù)。
　　(4)在系統(tǒng)開始運行時，各懸浮節(jié)點并不向CAN監(jiān)控終端發(fā)送數(shù)據(jù)，只有在CAN監(jiān)控終端向某個節(jié)點發(fā)出“發(fā)送允許”命令之后，該節(jié)點才定時地向CAN監(jiān)控終端發(fā)送上傳數(shù)據(jù)。如果CAN監(jiān)控終端要監(jiān)聽其他節(jié)點的數(shù)據(jù)，則需先禁止當前節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送，再向其他節(jié)點發(fā)出“發(fā)送允許”命令。這樣可以有效減小CAN總線上的數(shù)據(jù)流量。
　　上述協(xié)議可以有效地維持CAN網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)通信秩序。
　　從實際出發(fā)，要求軟件盡量簡單，界面盡量友好，便于操作。在實現(xiàn)時，為充分利用LCD的顯示能力，這里采用菜單的方式提示用戶操作。完成后的軟件界面如圖3所示。

　　程序采用分層的程序結構。最底層是一些硬件驅動程序，如鍵盤掃描、LCD狀態(tài)讀取和LCD數(shù)據(jù)寫入等。在這些底層驅動程序的基礎上再組織一些上層子程序供主程序調(diào)用。在編程語言的選擇上，考慮到程序的結構相對比較復雜，程序主體采用C語言編程，只有少部分涉及到DSP一些底層操作的部分才使用匯編語言。軟件的主體流程圖如圖4所示。

　　初始化包括對CAN控制寄存器的初始化以及屏幕初始化，并在這之后讀取撥碼開關的狀態(tài)，確定波特率及通信對象，向被監(jiān)控節(jié)點發(fā)出“發(fā)送允許”命令等。
　　程序主體是一個大循環(huán)。在初始化之后便不斷掃描鍵盤。首先判斷是否有鍵按下，如果用戶沒有操作，則檢查CAN模塊是否接收到數(shù)據(jù)。如果沒有接收到數(shù)據(jù)，則繼續(xù)掃描鍵盤。如果接收到了數(shù)據(jù)（即相應的CAN接收中斷標志位置位），則將接收到的數(shù)據(jù)包按上述協(xié)議進行分析、整合處理，然后在屏幕上顯示出接收到的數(shù)值；同時，在曲線的對應位置上描點，完成曲線的繪制。如果在鍵盤掃描過程中發(fā)現(xiàn)有按鍵按下，則分析按鍵的類別，然后轉相應的子程序處理。處理完畢再返回主程序。
　　這里數(shù)據(jù)接收并不采用中斷驅動方式，因為LCD的響應速度較慢。當LCD的響應速度低于CAN接收數(shù)據(jù)的速度時，會形成中斷嵌套，時間長了就會出現(xiàn)堆棧溢出。此外，采用中斷方式在數(shù)據(jù)量大時會出現(xiàn)DSP無暇顧及用戶鍵盤輸入的現(xiàn)象。實踐表明，采用查詢的方式可以很好地發(fā)揮DSP和LCD的固有能力，而且整體響應速度也比中斷方式快。
　　LCD顯示涉及的子程序比較多，分層也很多。在編寫程序時首先在DSP的Flash ROM里定義一個段，將LCD顯示過程中可能涉及的字符、漢字等點陣數(shù)據(jù)做成一個庫，放入段內(nèi)，在使用時再通過ROM訪問指令讀取。
　　曲線的繪制過程如下：首先確定坐標的原點位置、X方向和Y方向的最大坐標以及輸入數(shù)值的范圍，然后在內(nèi)存中開辟一個同X坐標點數(shù)一樣大小的緩沖區(qū)BUFF，用于記憶已經(jīng)繪制的各點的坐標；同時設定一個X指針，用于存儲當前的X坐標。當接收到新的數(shù)據(jù)，確定好Y方向的坐標后，首先查找BUFF，得到原來顯示在該X位置的點的Y坐標，將這個位置上的點清除，然后在新的Y坐標上描點，最后在BUFF的相應X位置上記錄下新描點的Y坐標值，此時便完成了一個點的繪制。后面還要調(diào)整屏幕上的指針以標明當前顯示的X坐標。當繪制到X方向的最大位置時，再返回X=0的位置繼續(xù)繪圖。
　　屏幕下方有關菜單的操作也是采用樹結構實現(xiàn)的，這里不再詳述。
　　CAN監(jiān)控終端向懸浮節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的過程一般是伴隨在相應的菜單操作并按下ENTER鍵生效后進行的。在每次數(shù)據(jù)發(fā)送之前，程序都需要讀入撥碼開關的狀態(tài)，以確定通信的波特率和通信對象的標識符。在實現(xiàn)上，撥碼開關的最高位控制著波特率，后面7位則決定了通信的發(fā)送標識符。
4? 結束語
　　使用表明，這種基于TMS320LF2407A DSP的CAN總線監(jiān)控終端在多懸浮控制器組成的網(wǎng)絡中可以發(fā)揮很好的監(jiān)控和調(diào)試作用，其結構小巧、界面友好，使用相當方便。