过程分析仪器CAN 网络通信设计

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                    ???? 摘要：为了解决在工业生产中遇到的现场检测信息的采集、处理和同步等问题，提出了实现过程分析仪器CAN 总线网络通信的方法。根据项目的设计要求，制定了适用的CAN 应用层协议，编写了各个节点的通信程序，在试验中取得了良好的效果。分析仪器的网络化能够满足多组分分析仪器在分析周期、仪器成本等方面的要求，减少分析仪器对DCS 端口的占用。
　　0 引言
　　现代流程工业的过程控制中，分析检测具有在线、多组分、实时检测的特点，对分析仪器在稳定、可靠、快速、准确等方面有着严格的要求。而广泛使用的工业色谱仪采用色谱分离原理，分析周期长达数分钟至数十分钟，难以实现过程的直接质量控制。过程拉曼光谱仪和激光调制光谱仪等新技术目前价格昂贵，关键技术尚在研究阶段，难以普及。利用技术成熟的单检测器单组分过程分析仪器，通过分析传感器组合技术和嵌入式计算机技术，实现多组分实时检测和建立简便快捷的分析仪器通信网络系统已成为近期国内外分析仪器研发的热点之一。
　　基于单片机（80C196）或微处理器（DSP、ARM 等）的多组分气体分析仪采用功能强大的CPU，可实时快速测定各种燃烧设备的各项热工参数。根据测量数据，通过自动调节装置调整风量，保持适当的空气／燃料比，使燃料系统达到最佳运行状态，以获得最高的燃烧效率和最低的燃料消耗。仪器还可以测定CO、SO2、NO、NO2、烟气黑度等参数，并配有液晶屏、键盘等外设。
　　CAN（CONtroll Area Network）是国际上应用最广泛的现场总线之一，使用了一种串行多控制方通信协议，可以有效地支持分布式实时控制，并且具有很高的安全性和高达1Mbps的通信速率。
　　一个包含PC 机和n－1（n≤110）个智能节点的CAN 总线网络结构图如图1 所示。




图2 上位机接口函数使用流程图
　　数据接收到上位机之后保存在一个大容量的内存缓冲池内，用户只需实时通过函数CAN_ReadDataNum(mindex) 查询缓冲池内的数据量， 再通过函数CAN_ReadBlockData(mindex,num,obyte)及时读走保存即可。其中obyte 为接收数据起始指针。
　　CAN_ClearBlock(mindex,num,obyte)为清空从obyte 指针开始的缓冲池空间。
　　注意：由于SJA1000 CAN 控制器每个地址存储8 位数据，而F2812 内置CAN 控制器每个地址存储16 位数据，而且标准数据帧的标识符也不是从字节的起始位开始的，所以定义标识符的时候要按照不同控制器的要求来定义。例如F2812 内置CAN 控制器定义数据帧标识符为344 0000（bit28-bit18 为标识符位），SJA1000 独立控制器对应的标识符应为1A20（bit15－bit5 为标识符位）。
　　2.2 分析仪器CAN 网络通信程序设计
　　智能节点分析仪器端的编程采用 C 语言与汇编语言相结合的方式，采用结构化程序设计方案，可读可移植性好。流程如图3 和4 所示。




图4 分析仪器从节点程序流程图
　　3 实验结果及分析
　　使用 KPCI-8110 的测试程序向分析仪器周期发送一帧数据时，查看测试程序和分析仪器存储器可以看出，分析仪器端正确地接收到PC 发送来的数据，CAN 网络运行良好。图5为自己开发的接收界面试验状态下成功接收到数据，分析仪器网络分析周期为20s，发送速率为100Kbps。




图5 上位机接收界面
　　在对节点和上位机的通信进行试验的时候发现，在单独使用eCAN 模块发送和接收数据时，通信情况良好，发送和接收的帧数相同。
　　需要注意的是，在运行DSP 多组分气体分析平台的整个软件程序时，在较短时间内要以较大速率发送大批量数据，故将A/D 采样之后的数据滤波和处理部分放在主程序中执行，尽可能减少A/D 中断服务子程序的处理时间，这样就可以减少对CAN 发送中断程序的影响。
　　经实验证明，以上分析和判断是正确的，网络通信状况良好，无丢帧现象。
　　4 总结
　　该网络通信系统在试验中得到了良好的效果，满足了多组分分析仪器的设计要求。