基于CAN總線的光電經緯儀遠程監(jiān)控系統(tǒng)

1、基于can總線的光電經緯儀遠程監(jiān)控系統(tǒng)來源：無線測溫系統(tǒng) can (controller area network，控制器局域網(wǎng))總線最初是德國bosch公司為汽車的監(jiān)測、控制系統(tǒng)而設計的一種有效支持分布式實時控制的串行通信網(wǎng)絡，由于can總線具有通信率高、實時性好、可靠性高、連接方便和性價比高等特點，推動了其應用開發(fā)的迅速發(fā)展。由于can總線本身的特點，其應用范圍目前已不再局限于汽車行業(yè)，而擴展到了機械工業(yè)、紡織機械、農用機械、機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療機械、家用電器及傳感器等領域。can總線是目前惟一有國際標準的現(xiàn)場總線，并已被公認為最有前途的現(xiàn)場總線

2、之一。然而,隨著計算機、控制、通信、網(wǎng)絡等信息技術的發(fā)展, 信息交換的領域已經覆蓋了工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場。為實現(xiàn)工業(yè)企業(yè)的綜合自動化, 需要建立包含從工業(yè)現(xiàn)場設備層到企業(yè)控制層、管理層等各個層次的網(wǎng)絡平臺。以太網(wǎng)以其能便捷地訪問遠程系統(tǒng)、共享/訪問多數(shù)據(jù)庫等優(yōu)勢,許多現(xiàn)場總線系統(tǒng)最終都連接到以太網(wǎng)。本文從大型光電跟蹤設備的網(wǎng)絡化出發(fā)，設計一種基于can總線網(wǎng)絡的光電經緯儀的遠程通信方案。2 光電經緯儀內部通信網(wǎng)絡設計與實現(xiàn)2.1 can總線技術特點can總線可有效支持分布式控制或實時控制。該總線的通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光纖，其主要特點如下： can總線為多主站總線，各節(jié)點可在

3、任意時刻向網(wǎng)絡上的其他節(jié)點發(fā)送信息，且不分主從： can總線采用獨特的非破壞性總線仲裁技術，高優(yōu)先級節(jié)點優(yōu)先傳送數(shù)據(jù)，故實時性好； can總線具有點對點、一點對多點及全局廣播傳送數(shù)據(jù)的功能；can總線采用短幀結構，每幀有效字節(jié)數(shù)最多為8個，數(shù)據(jù)傳輸時間短，并有crc及其它校驗措施，數(shù)據(jù)出錯率極低； can總線上某一節(jié)點出現(xiàn)嚴重錯誤時，可自動脫離總線，而總線上的其他操作不受影響； can總線系統(tǒng)擴充時，可直接將新節(jié)點掛在總線上，因而走線少，系統(tǒng)擴充容易，改型靈活； can總線的最大傳輸速率可達1mb/s，直接通信距離最遠可達到10km（速率在5kbps以下）； can總線上的節(jié)點數(shù)取決于總線驅動

4、電路。在標準幀（11位報文標識符）時可達到110個，而在擴展幀（29位報文標識符）時，個數(shù)不受限。2.2 光電經緯儀can總線網(wǎng)絡系統(tǒng)架構光電經緯儀之間的實時通信在傳統(tǒng)上使用串行接口，但其存在較多的先天性缺陷：通信速率低、傳輸距離短、線路利用率低、容錯性差、不易擴展、難以維修和測試。can總線應用于光電經緯儀內部通訊可以簡化系統(tǒng)結構，提高通訊實時性、傳輸速率，降低誤碼率，具有較好的抗電磁干擾性和系統(tǒng)的可擴展性。在任何測控系統(tǒng)中，都要通過測量裝置獲取環(huán)境和相關的輸入?yún)?shù)，然后執(zhí)行控制算法，做出相應的控制決策，啟動執(zhí)行設備來實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制?；诂F(xiàn)場總線建立的測控系統(tǒng)將單個分散的測量儀表和控制設備

5、變成網(wǎng)絡節(jié)點，將控制系統(tǒng)中所需的基本控制、補償計算、參數(shù)修改、報警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化等功能也分散到各個節(jié)點中。因而總線上的節(jié)點應該具有總線通信功能、測量或控制功能，還要具有相當?shù)膮f(xié)調能力，這必然離不開微處理器，這種類型的節(jié)點稱為智能節(jié)點。大型光電經緯儀是一種多傳感器融合的測控設備，一般由機上數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，機上控制系統(tǒng)，調焦系統(tǒng)，激光系統(tǒng)，衛(wèi)星電視系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)，紅外電視系統(tǒng)，編碼器電控系統(tǒng)等分系統(tǒng)組成，不同型號的經緯儀內部系統(tǒng)構成不同。以上述八個系統(tǒng)組成為例設計光電經緯儀內部通信系統(tǒng)架構1如下： 圖1 光電經緯儀內部can通信網(wǎng)絡 在圖1所示can總線網(wǎng)絡中，每一個分系統(tǒng)都是一個智能節(jié)點，各分

6、系統(tǒng)共用總線實現(xiàn)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳送。在這種由can總線網(wǎng)絡構成的通信系統(tǒng)中，每一個分系統(tǒng)完成自身的數(shù)據(jù)的采集、處理，把需要跟其它分系統(tǒng)交互通信的信息發(fā)送到總線上，比如狀態(tài)信息、命令信息等等。各個分系統(tǒng)之間可以完成點對點，點對多點以及廣播式數(shù)據(jù)通信。2.3 can智能節(jié)點的硬件架構本系統(tǒng)中，can節(jié)點采用： ecu（at89c51）can控制器（sja1000）can收發(fā)器（pca82c250）的電路結構，can總線控制器、總線驅動器和單片機連接基本方法2如圖2： 圖2 can總線接口電路原理圖 2.4光電經緯儀內部通信系統(tǒng)中can應用層協(xié)議本協(xié)議遵循can2.0b規(guī)范，根據(jù)經緯儀內部各系統(tǒng)相互

7、之間通信方式的特點，采用源目的方法，每個節(jié)點都有自己固定的標識地址，且節(jié)點數(shù)小于64，設計時把機上數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)作為主節(jié)點，而將機上控制系統(tǒng)，調焦系統(tǒng)，激光系統(tǒng)，衛(wèi)星電視系統(tǒng)，導航電視系統(tǒng)，紅外電視系統(tǒng)，編碼器電控系統(tǒng)設置為從節(jié)點。本協(xié)議可完成以下功能： （1）特定信息的廣播(廣播幀)；（2）任意節(jié)點之間的連接（單播幀）； （3）點對多點的信息交換（組播幀）。 本設計中sja1000工作在pelican模式，它支持標準幀和擴展幀兩種幀格式，采用單濾波和雙濾波兩種模式實現(xiàn)節(jié)點之間的組播、廣播和單播5。組播幀采用標準幀格式，單濾波模式，廣播和單播幀采用擴展幀格式，雙濾波模式。 組播、廣播和單播幀的標

8、識符分配如圖3所示： 圖3 幀標識符分配自定義的標識符可以設置成命令屬性或狀態(tài)、報告等等。對所有的命令或狀態(tài)、數(shù)據(jù)、報告屬性、除定時采集發(fā)送的數(shù)據(jù)外，原則上均需應答（發(fā)送確認幀以保證通訊正常）。3 光電經緯儀內部can網(wǎng)絡與internet連接的設計與實現(xiàn)人們往往采用嵌入式技術設計一個僅能連接以太網(wǎng)與can 總線的網(wǎng)關用來實現(xiàn)can網(wǎng)絡與以太網(wǎng)的連接。將這種應用方案應用在大型光電跟蹤設備上就可以實現(xiàn)對光電跟蹤設備的遠程監(jiān)控以及信息的共享。通過遠程控制來實現(xiàn)不適合人員長期操控或惡劣環(huán)境下的無人操作測量，無人操控測量可以減少測量結果中的人為誤差，使測控更加地精確。3.1 嵌入式網(wǎng)關設計在本設計中，

9、嵌入式網(wǎng)關通過以太網(wǎng)控制器接口與以太網(wǎng)相連，通過can控制器接口與現(xiàn)場總線相連，硬件連接框圖如圖4所示。圖4中采用集成can通信控制器的mc68hc05x16單片機和rtl8019as以太網(wǎng)控制器來實現(xiàn)can與以太網(wǎng)的連接。rtl8019as是臺灣realtek公司制造的一種高集成度的全雙工10mbps 以太網(wǎng)控制芯片4，可實現(xiàn)基于ethernet協(xié)議的mac層的全部功能，內置16kb的sram、雙dma通道和fifo，可完成數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送功能。mc68hc05x16采用rtl8019as同以太網(wǎng)上的操作站進行數(shù)據(jù)交換，通過內置can控制器與can總線上其它節(jié)點進行數(shù)據(jù)交換。在交互過程中m

10、c68hc05x16依據(jù)應用要求對數(shù)據(jù)進行處理。 處理器mc68hc05xi6負責對以太網(wǎng)控制器rtl8019as和sjaio00的控制。微處理器內駐有tcpip通信協(xié)議和can協(xié)議，完成以太網(wǎng)協(xié)議和can總線協(xié)議轉換，實現(xiàn)以太網(wǎng)和can間的數(shù)據(jù)通信。4 軟件設計通信軟件包括rtls019as和can的發(fā)送、接收程序。對于can的發(fā)送接收程序在文獻2中已給出詳細程序，由于篇幅限制此處不再贅述。對rtls019as的軟件操作，有查詢和中斷方式有實時性要求的環(huán)境一般采用中斷方式處理rtls019as數(shù)據(jù)的收發(fā)。程序入口根據(jù)讀取的rtls019as中斷狀態(tài)寄存器(isr)值進行相應處理以太網(wǎng)通信部分

11、的軟件主要有兩部分：一是rtl8019as的驅動程序（包括rtl8019as初始化、以太網(wǎng)報文的接收和發(fā)送）；二是為實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程傳輸而進行的tcp/ip協(xié)議處理，將從光電經緯儀采集到的數(shù)據(jù)按tcp/ip協(xié)議進行封裝，使數(shù)據(jù)能夠通過internet直接傳輸?shù)侥康闹鳈C上。rtl8019as初始化的過程實際上就是完成對rtl8019as的內部寄存器的配置，確定發(fā)送和接收條件，并對以太網(wǎng)控制芯片緩沖區(qū)進行劃分。收發(fā)數(shù)據(jù)的過程實際上就是通過dma對rtl8019as內部ram進行讀寫操作的過程3。8019接收緩沖區(qū)實際上是一個循環(huán)fifo（先進先出）隊列，芯片內ram讀寫操作不采用中斷方式，而是以查詢方式，即curr（當前頁寄存器）值是否等于bnry+1來判斷是否接收到新數(shù)據(jù)。接收流程圖如圖5所示 圖5 rtl8019as數(shù)據(jù)接收流程圖當mc68hc05xi6接收到來自以太網(wǎng)的tcp數(shù)據(jù)報，標志位置1，在can處理子程序中，根據(jù)該標志位判斷是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送給另一節(jié)點。在具體調試時使一個can節(jié)點每隔一段時間向網(wǎng)關轉換模塊發(fā)送一些數(shù)據(jù)。網(wǎng)關接收數(shù)據(jù)后，通過以太網(wǎng)轉發(fā)給上位機，上位機通過超級終端顯示接收的數(shù)據(jù)。同樣，可以通過超級終端發(fā)送一些鍵入的數(shù)據(jù)。經過轉換模塊傳給另一個can節(jié)點，從而改變它的