基于DSP 技术和CAN总线的多节点远程数据传输系统
针对在测量环境较差的场合中,要求测量系统体积小,数据处理性能高且远程传输稳定的问题,提出了利用DSP 和CAN总线技术进行远程数据采集传输的方案。系统通过CAN 控制器进行远程多节点间的数据传输,与上位机采用DSP 的SCI串口进行通信。介绍了系统的硬件接口设计和相应的软件设计。经测试,系统实现了高效稳定的数据传输处理,具有很高的实际应用价值。
1 引言
控制局域网CAN属于现场总线范围,是德国Bosch 公司从20 世纪80 年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议,它是一种多主总线,通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维,通信速度可达1 M bit/ s. CAN 协议的最大特点是废除了传统的站地址编码,而对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制,数据块的标识码可由11 位或29 位二进制数组成,因此可以定义211或229个不同的数据块,这种按数据块编码的方式,还可使不同的节点同时接收到相同的数据,这一点在分布式控制系统中非常有用。
2 系统设计
在很多野外或测量环境比较差的地方,需要采用体积小,数据处理性能高,并且远程传输稳定的数据处理传输系统。针对这种要求,设计了多节点远程数据采集传输系统。在远端将要检测的各个节点的数据采集送到DSP进行处理,通过DSP的CAN控制接口,将各节点数据传输到CAN 总线上,然后用DSP 的串行通信口与上位机进行数据交换和控制操作。
系统采用了DSP 作为微处理器,充分利用DSP 器件的体积小,功耗低,数据处理功能强大的优点;同时采用CAN 总线来传输数据,不仅结构简单(只有2 根线与外部连接) ,传输稳定性高而且传输距离远,尤其是可对网络内各个节点通信数据块进行独立编码,加大了数据接收的灵活性,扩展了网络节点数。系统在数据采集处理同时,可以方便地与当地PC 利用DSP 的SCI串行口进行通信。基于以上优点的方案设计解决了在很多工作环境恶劣,检测点较多的场合下的数据处理传输问题。
美国德州仪器(TI) 公司的DSP24xx 系列是TI 公司推出的低价格高性能的16 位定点DSP 芯片,是专为数字电机控制和其他控制应用而设计的芯片。选用了TMS320LF2407 芯片作为数据处理芯片,与上位PC 机进行数据传输。TMS320LF2407 自带CAN控制器(符合CAN 总线210 协议) ,且可以通过设置内部寄存器的自测试位来实现CAN 控制器的自发自收功能,为调试CAN 通讯的下位机提供了方便。基于芯片的此功能模块,硬件设计只要通过CAN 驱动器(电平转换) 接到CAN 总线上,就可以与其他CAN 节点进行通讯。DSP与上位机通信部分可以通过SCI 异步串行通信口来实现。系统结构图如图1所示。
图1 系统结构图
3 硬件设计
采用的DSP 芯片自带了CAN 控制器模块和SCI 串行通信口,但是在系统各节点的连接和与PC 机通信上存在电平驱动转换的问题。
CAN 驱动芯片采用TI 公司的UC5350 驱动芯片。UC5350控制器区域网转换器专为采用CAN 通信的工业应用而设计,具有最高可达1 M bit/ s 的高速收发特性,并且至少可以连接110 个节点。图2 为UC5350 与TMSLF2407 芯片的硬件连接图。
需要注意的是,在CAN 传输网络的两个终端CAN 节点上,节点的CANH和CANL 两根信号线之间一定要跨接1个120 Ω的电阻R2 ,这是为了消除传输中的回流干扰问题。
图2 CAN 驱动硬件图
DSP 与上位机的通信部分,采用TMS320LF2407 的SCI 异步串口来完成。由于TMS320LF2407 的串行口输入输出均为TTL电平,而IBM- PC 机的串行口是按RS - 232 - C 标准设计的,必须经过电平转换才能实现两者之间的通信。设计中采用了符合RS - 232 标准的驱动芯片MAX232 进行电平之间的转换。图3 为DSP 与PC 串口之间的接口硬件图。
图3 RS232 串口驱动硬件图
4 软件设计
4. 1 CAN模块间通信程序的设计
TMS320LF2407 的CAN 模块是1个16位的外设, 支持CAN2.0B 协议。CAN 模块有6 个邮箱(MBOX0～MBOX5) ,其中2 个接收邮箱(MBOX0 , MBOX1) , 2 个发送邮箱(MBOX4 ,MBOX5) 和2 个可配置为接收或发送邮箱(MBOX2 ,MBOX3) ;有用于0 ,1 ,2 和3 号邮箱的本地屏蔽寄存器和15 个控制/ 状态寄存器。对它的访问分成控制/ 状态寄存器的访问和邮箱的RAM访问。这些邮箱位于1个48 ×16位的RAM中,可被CPU或CAN 读写。
由于系统是1 个多节点的远程数据收发系统,因此对各节点CAN模块正确的初始化就显得十分重要。初始化必须设置各节点中CAN模块的通信波特率和同步跳转宽度一致,且配置好节点模块中的接收码和屏蔽码。再按照发送数据帧格式来配置邮箱ID 和信息控制寄存器。
4. 1. 1 初始化位定时器
CAN 通信中的波特率设定与系统控制状态寄存器SCSR1、CAN 模块中定时器BCR1 和BCR2 有关(其中BCR1 和BCR2 决定了CAN 控制器的通信波特率、同步跳转宽度、采样次数和重同步方式) 。在对位定时器进行初始化时,注意要先设置CAN模块主控制寄存器MCR 中的改变配置请求位为1 ,即CCR = 1 ,并判断全局状态寄存器GSR 中的改变配置使能位CCE 是否为1 ,如为1 则可进行下面的初始化工作。而在完成对位定时器的初始化后需将CCR 位清零以进入正常工作模式; 在配置BCR1 和BCR2 时要按照如下公式对CAN 控制器波特率进行设定:
波特率= ICLK/ [ ( BRP + 1) + BitTime ]
式中: ICLK为CAN 控制器的时钟频率,即在SCSR1 中充定的DSP 的系统频率; BRP 为波特率预分频位,决定着CAN 控制器的时间片TQ , TQ = ( BRP + 1) / ICLK; BitTime = ( TSEG1 + 1) +( TESG2 + 1) + 1 , TSEG1 为时间段1 ,可编程为3～16个TQ时间片。TSEG2 为时间段2 ,必须小于或等于时间段1。
4. 1. 2 初始化邮箱
对邮箱初始化即是对邮箱中的有关寄存器进行初始化,主要用来设置邮箱接收或发送报文的标识符,发送的是远程帧还是数据帧,并对发送的数据区赋初值。步骤为:禁止邮箱工作,即向邮箱方向/ 使能控制寄存器MDER 中的邮箱使能位MEn( n = 0～5) 写0 ;设置MCR 寄存器中数据域改变请求位为1 ;配置邮箱的内容;返回正常模式;使能邮箱。
4. 1. 3 邮箱信息的接收和发送
在做完以上初始化工作后, 就可以转入邮箱的收发程序。为了大量的数据能在系统网络上连续传输, 在内存设置了2个数据缓冲区(读和写2 个数据区) , 分别用来存放要发送和接收的数据。用邮箱发送时, 将准备发送的数据从写数据存储区写到发送邮箱的数据区, 然后使能发送邮箱并设置TCR寄存器中发送请求位为1 , 判断发送应答信号和发送中断标志位, 在成功发送之后再将发送中断标志位和发送应答位清除。
图4 数据发送流程图
对于一个接收事件来说,由于每个CAN 节点接收数据是根据检测网络上数据帧的ID 与接收邮箱中初始化设定的报文的设定ID 是否相符来决定该节点是否接收此数据,因此在接收事件中,要设置接收邮箱报文的标识符及标识符相关的局部屏蔽寄存器(LAM) 。然后判断接收信息悬挂位RMPn 或接收中断标志位MIFn 是否置位,如果位说明邮箱成功接收信息,将接收的数据转移到读据缓冲区,然后复位接收中断标志位和接收信息悬挂位。
图5 数据接收流程图
4. 2 SCI 串行通信程序设计
串行通信的程序分为DSP 的串行收发和PC 机的串行收发两个。对于PC 机的串行收发采用了标准串口通讯程序。TMS320LF2407 串行通信的软件设计可以采用查询和中断两种方式,设计中采用了中断方式接收数据,并设置软件发送标志位来查询发送的方式。程序分为主程序和中断服务程序2 个部分。
在主程序中对SCI 异步串口进行初始化(包括操作模式、波特率、字符长度、奇偶校验位、停止位位数、中断优先级和使能控制等信息) 。主程序设置了软件发送标志位,并不断查询此位,在其置位时发送数据。中断服务程序中,当需要上传数据时,在中断程序或其他的子程序中置发送标志位,由主程序通过查询该标志位来控制发送数据;对于接收数据,则在中断服务程序中,将接收到的数据地址与相应软件设置的地址进行比较,采用地址位唤醒模式实现与上位机通讯。
在串行通信中,时钟和波特率的同步是十分重要的,在编程中,考虑到所用芯片的特性和实际应用需要,采用了系统时钟为20 MHz ,通讯波特率4 800 bit/ s 与RS - 232 进行通信。根据公式: SCI 异步波特率= SYSCLK/ [ (BRR + 1) ×8] 来确定波特率选择寄存器BRR 的值。
值得注意的是在串行通信设置中,串行通信控制寄存器SCICTL1 的SLEEP 位(上电时为1) 设置很重要,SLEEP 位为SCI休眠位,为1 时使能休眠方式,它的正确设置可以使得通信过程正确的响应中断,从而转移到相应的服务程序中。因此必须正确设置使得程序只有在检测到地址字节时被中断。而在中断程序中比较地址:若相同,则软件清除SLEEP 位,确保在收到每个数据字节都可产生中断;若不相同,则保持SLEEP 为1 以接收下一个地址。由于系统为多节点的通信,因此采用了地址位唤醒模式来正确控制各节点间的数据收发。在调试程序中为每个节点设置了2 个标识地址(如00H 和FFH) ,当收到00H时,DSP 发送数据,当收到FFH 时,DSP 接收数据。图6、图7 分别为串行主程序和中断服务程序的流程图。
图6 串行通信主程序流程图
图7 中断服务程序的流程图
5 结束语
系统解决了野外作业时要求高稳定性的远程数据传输问题,可以在环境恶劣的情况下,多点采集数据,并将采集到的数 据及时处理传输到远端上位机进行分析控制。在实际的测试中,用此系统很好地完成了数据的采集传输工作,由此得出此系统可以稳定的进行工作。
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