基于CAN總線的分布式嵌入式遠程監(jiān)控

1、    基于CAN總線的分布式嵌入式遠程監(jiān)控前 言 隨著計算機技術和網絡技術的飛速發(fā)展，Internet網已成為信息交流的重要渠道，基于WebB/S(BroWser/Server)遠程監(jiān)控技術的應用也越來越廣泛。將這種技術應用于工業(yè)現(xiàn)場控制，用戶可在Internet接入的地方，實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場設備進行遠程監(jiān)控，是當前倍受關注和研究熱點的真正意義上的工業(yè)控制遠程監(jiān)控系統(tǒng)。CAN bus是一種有效支持分布式控制和實時控制的優(yōu)秀工業(yè)控制現(xiàn)場總線，與其它通信總線相比，具有突出的可靠性、實 前 言隨著計算機技術和網絡技術的飛速發(fā)展，Internet網已成為

2、信息交流的重要渠道，基于WebB/S(BroWser/Server)遠程監(jiān)控技術的應用也越來越廣泛。將這種技術應用于工業(yè)現(xiàn)場控制，用戶可在Internet接入的地方，實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場設備進行遠程監(jiān)控，是當前倍受關注和研究熱點的真正意義上的工業(yè)控制遠程監(jiān)控系統(tǒng)。CAN bus是一種有效支持分布式控制和實時控制的優(yōu)秀工業(yè)控制現(xiàn)場總線，與其它通信總線相比，具有突出的可靠性、實時性和靈活性。由CAN總線組成的分布式控制系統(tǒng)與Internet網絡連接的嵌入式系統(tǒng)集成后的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，可把工業(yè)控制現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息實時可靠地傳輸，實現(xiàn)工控現(xiàn)場與管理信息系統(tǒng)(MIS)的無縫連接。本系統(tǒng)針對通信用多逆變模塊電源系統(tǒng)

3、的遠程監(jiān)控要求，通過CAN總線與底層多逆變電源模塊連接、通過Web服務器接入Internet的嵌入式系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了對底層工業(yè)現(xiàn)場設備的遠程監(jiān)控和管理。CAN總線與嵌入式操作系統(tǒng)CAN(CoNtroller Area Net)總線CAN總線是一種多主總線，通信速率可達1Mb/s。CAN總線的通信接口集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等通信數(shù)據(jù)的成幀處理。CAN bus協(xié)議廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，采用了對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼的方式，這種方法可使網絡內的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制。數(shù)據(jù)塊的標識碼由11位或29位二進制數(shù)組成，即可定義211或

4、229個不同的數(shù)據(jù)塊。這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，可以使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。因為CAN bus采用短幀格式通信，每幀最多有8個字節(jié)數(shù)據(jù)，可滿足工業(yè)領域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時，8個字節(jié)不會占用總線時間過長，保證了通信系統(tǒng)的實時性要求。同時CAN bus協(xié)議采用CRC檢驗并提供相應的錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。CAN總線的上述特點非常適合工業(yè)現(xiàn)場過程監(jiān)控設備的互連。CAN總線采用多主競爭方式工作和非破壞性總線仲裁技術，總線上任意節(jié)點可在任意時刻主動地向網絡上其它節(jié)點發(fā)送信息而不分主次，各節(jié)點之間實現(xiàn)自由通信。當多個節(jié)點同時

5、向總線發(fā)信息時，優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動退出發(fā)送，而優(yōu)先級較高的節(jié)點不受影響。大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間，在網絡負載很重的情況下，也不會出現(xiàn)網絡癱瘓的情況。因此，適用于分布式監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊。嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)(Embedded Operation System簡稱EOS)是嵌入式技術或嵌入式系統(tǒng)的關鍵技術之一。嵌入式系統(tǒng)(Embedded System)是對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。簡單的嵌入式系統(tǒng)并不使用操作系統(tǒng)，只包含一些控制流程。但當功能復雜化以后(如圖像用戶界面和網絡支持等)，簡單的流程控制不能滿足系統(tǒng)的要求，這時就必須考慮采用操作系統(tǒng)作為系

6、統(tǒng)軟件。嵌入式操作系統(tǒng)uclinux是在Linux2. 0版本的基礎上裁減掉存儲器管理單元(Memory Management Unit簡稱MMU)得到的。此外，為了將系統(tǒng)設置成為網絡服務器，需另外移植并調試通過支持公共網關接口(CG I：Common Gateway InteRFace)的HTTP服務器軟件BOA。系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)簡介針對通信用多逆變模塊電源系統(tǒng)的遠程監(jiān)控要求，在嵌入式核心板的基礎上擴展了CAN總線接口，整個系統(tǒng)稱為嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)(uCremM)。它基于Motorola公司的ColdFire5272CPU，2M FLASHMEMORY、32M DRAM以及UART、ETH

7、ERNET網卡等外圍設備接口，CAN總線控制芯片采用英飛凌的82C900，SPI接口支持CAN2. 0B。監(jiān)控系統(tǒng)板利用RS232串口線和雙絞線與宿主PC機相連，組成可以交叉編譯的開發(fā)環(huán)境。編譯語言為標準C，在宿主PC機上編譯uClinux內核并下載到uCremM板上，由uCremMMOUNT上宿主機上的應用程序開發(fā)目錄，就可以在PC機的L inux環(huán)境下進行嵌入式應用程序開發(fā)，最后重新編譯包括應用程序的內核并燒寫到uCremM上的FLASHMEMORY 就完成了監(jiān)控系統(tǒng)的軟件。系統(tǒng)結構及結構流程系統(tǒng)結構如圖1所示。圖1監(jiān)控系統(tǒng)結構框圖本系統(tǒng)由嵌入式uCremm與現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集節(jié)點組成主從(Ma

8、sterand Slave)關系，數(shù)據(jù)結構參考CAN總線通訊協(xié)議。1)系統(tǒng)下層結構流程。由主站按授權用戶要求向指定MCU系統(tǒng)發(fā)出查詢信息，實現(xiàn)對工控現(xiàn)場節(jié)點查詢功能；各個CAN節(jié)點隨時監(jiān)聽總線，當發(fā)現(xiàn)總線上有地址段與自己的地址相同的幀時，再判斷是遠程幀還是數(shù)據(jù)幀：如果是遠程幀，則由CANbus節(jié)點按既定協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)到總線上；否則節(jié)點開始接收CANbus上的數(shù)據(jù)幀。嵌入式uCremM與Internet的互聯(lián)以及與用戶的交互功能，則由其嵌入式操作系統(tǒng)中的網絡服務器來完成。嵌入式uCremM上配有以太網接口RJ45，當用網線把uCremM與Internet連接，并配置好IP地址且運行網絡服務器后，授

9、權用戶就可在INternet上任何一臺機器的瀏覽器中敲入IP地址，訪問存在嵌入式uCremM中的主頁了。2)用戶與服務器的交互是通過CGI程序來完成的。簡單地講，CGI是一個運行在Web服務器上的程序，由瀏覽器的輸入觸發(fā)。這個腳本通常是客戶端與服務器中其他程序如數(shù)據(jù)庫的橋梁。用戶可以通過點擊頁面，查詢來自現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，如逆變模塊的電壓、電流和功率等；或者發(fā)送命令，如設置模塊最高直流輸入和交流輸出等數(shù)值。CAN總線通訊協(xié)議及程序流程目前有3種CAN通訊協(xié)議，包括CAN2. 0A，CAN2. 0B和CAN2. 0B passive，CAN2. 0B是最通用的CAN通訊協(xié)議。CAN的3種通訊協(xié)議間的區(qū)

10、別就是協(xié)議中定義的標識符的長度不同。CAN2. 0A協(xié)議中僅定義了具有11位標識符的標準幀數(shù)據(jù)結構，CAN2. 0B協(xié)議中除了定義標準幀外還定義了具有29位標識符的擴展幀數(shù)據(jù)結構。本系統(tǒng)定義在CAN總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包為標準幀格式，它分為遠程幀和數(shù)據(jù)幀兩種，區(qū)別遠程發(fā)送請求位是否置位。標準幀的數(shù)據(jù)結構如表1所示。表1標準幀格式在設計中，本系統(tǒng)以嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)來完成對各個分布的逆變電源模塊的參數(shù)上傳和設置。當CAN控制器發(fā)出要求逆變電源模塊上傳數(shù)據(jù)的遠程幀時，系統(tǒng)定義了遠程幀中的11位標識符中高5位作為各模塊的模塊號標識，同樣在各模塊的CAN控制器中的Msg ID 寄存器也作了相應的設置。另外在幀

11、格式中的遠程發(fā)送請求位必須置“1”，DLC全置“0”，數(shù)據(jù)域無數(shù)據(jù)信息。遠程幀舉例見表2。表2遠程幀舉例當CAN控制器發(fā)出設置逆變模塊開關和模塊參數(shù)的數(shù)據(jù)幀時，定義中除了標識符的設置外，遠程發(fā)送請求位被置為“0”，DLC置“1000”表示一幀數(shù)據(jù)信息中的數(shù)據(jù)域有8個節(jié)字的數(shù)據(jù)要發(fā)送。CAN控制器發(fā)送設置(修改)逆變模塊參數(shù)的數(shù)據(jù)幀時，數(shù)據(jù)結構如表3所示。表3模塊參數(shù)格式在CAN控制器發(fā)送設置逆變模塊開關機的數(shù)據(jù)幀時，開關機信息由一位數(shù)據(jù)表示，緊跟命令編碼。當數(shù)據(jù)值為0FH時，表示逆變模塊關機；當數(shù)據(jù)值為01H時，表示逆變模塊開機。除了發(fā)送數(shù)據(jù)信息外，系統(tǒng)還要接收來自各個逆變模塊的告警信息幀和模

12、塊參數(shù)數(shù)據(jù)幀信息，接收數(shù)據(jù)幀的格式仍然參考上例制定。主站程序流程圖如圖2所示。圖2主站程序流程圖網絡服務器配置及主頁設計通過在嵌入式uCremm上的uClinux操作系統(tǒng)上移植HTTP服務器軟件BOA，并設置其配置文件(boa. conf)，可以指定主頁和CGI程序所在路徑。這里CGI程序用C語言編寫，其實就是一些應用程序，如CAN通訊數(shù)據(jù)等，只是它能由遠程瀏覽器通過點擊主頁而激活，從而實現(xiàn)瀏覽器和服務器的交互功能。如圖3所示，用戶在遠程瀏覽器中輸入嵌入式Webserver的IP地址后，需要登錄用戶名及密碼，當?shù)玫椒掌鞔_認后，進入監(jiān)控界面。圖4為監(jiān)控系統(tǒng)登陸界面，圖5為系統(tǒng)主參數(shù)界面。圖3瀏覽器和服務器的交互功能示意圖圖4監(jiān)控系統(tǒng)登陸界面圖5系統(tǒng)主參數(shù)界面利用網頁來顯示監(jiān)控界面, 使監(jiān)控系統(tǒng)由傳統(tǒng)的C?S 模式(Clien t?Server) 轉變?yōu)楦冗M的B?S 模式(B row ser?Server) , 不僅節(jié)省了購買和開發(fā)監(jiān)控上位機軟件的費用, 而且使之成為不受地域限制上的真正意義的遠程監(jiān)控系統(tǒng)?？偨Y嵌入式系統(tǒng)具有可裁減、體積小和進程及