基于CAN總線的懸浮控制器監控終端的設計

CAN總線是德國Bosch公司為解決現代汽車中多傳感器和控制器之間的數據交換而開發的一種串行總線。由于它通信速率高、通信距離遠、抗干擾能力強，因而適合高干擾環境。目前CAN總線已廣泛應用于背景干擾較強的控制系統之間的實時通信中。
　　對于多點懸浮控制，控制器的數目很可能不止一個，控制器所處的電磁環境一般也比較惡劣。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總線組成的網絡具有結構簡單、可靠性高的特點，可以實現點對點、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網絡作為通信網絡是一個比較理想的選擇。另一方面，處于復雜工作環境下的數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，從而使一點或多點懸浮失敗。這就要求在CAN網絡中設計一個上層的監督節點對這些網絡中的節點進行有效的監督和實時調整。
　　用計算機的并行接口配合專用的CAN驅動芯片設計的CAN網絡監視器/調試器具有實現方便、界面友好的特點，但在實際的控制現場，這種基于計算機的監控系統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網絡監督/調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網絡監控終端。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場監督和調試。
1? 系統簡介
　　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，各個懸浮點和監控節點的關系如圖1所示。CAN監控終端也是CAN網絡中的一個普通節點，通過雙絞線連入整個網絡。

　　對于每個懸浮點，需要監控的參數一般包括電流、間隙、加速度以及其他一些中間參數等。根據不同的控制算法，監控的參數個數也不一樣。監控節點的任務就是向其中的某個懸浮節點發出發送允許命令，該懸浮節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打包發送到CAN總線上，然后再由監控節點監聽這個節點發送的數據，并在顯示屏上將接收到的參數顯示出來。長時間接收還可以將某些參數，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控的控制器的某些參數進行修改，也可以通過CAN監控終端的人機接口向目標節點發送修改命令。
　　在實現上，CAN監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。數據輸出用1塊240×128的LCD液晶屏來實現，可以把各個參數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，使硬件實現和軟件編程均比較方便。
2? 硬件設計
　　系統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Flash程序存儲器和2.5K字的片內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監控終端的設計和實現帶來了很大便利。在硬件實現上，考慮到系統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Flash中，通電后程序即可直接在片內Flash中運行。DSP的晶振頻率選擇6MHz，通過DSP片內的PLL鎖相環4倍頻后使DSP的工作主頻達到24MHz。

　　由于DSP片內備有CAN控制器模塊，因此，監控終端的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沖突。解決的辦法是：在DSP的數據總線和外圍接口總線之間用1片LVC4245作為雙向緩沖器。在進行數據交換時，DSP的R/W信號控制著LVC4245的數據流向。
　　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分別鎖存數據總線和控制總線的數據，模擬LCD的驅動時序。LCD的幾個狀態位直接由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數據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選通，其電路簡單，靈活性好。
　　出于便攜式的要求，系統采用電池供電方式。這里采用5節可充電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。由于系統內需要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網絡結構圖中，數據流向大致可以分為二類：各懸浮節點之間的通信和懸浮節點與監控節點之間的通信。由于懸浮節點之間的通信與監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點與監控終端的通信，這就要求在組成CAN網絡時就必須制定一個懸浮節點和監控終端間的通信協議。在實現時，具體協議如下：
　　(1)CAN監控終端的接收標識符為0，其他懸浮控制節點的標識符均不得與之沖突；全部節點使用統一的波特率(50Kbps或500Kbps)；數據包的長度統一為8B。
　　(2)CAN監控終端向懸浮節點的數據傳送由監控終端的撥碼開關指定數據包的標識符，各懸浮節點通過數據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據包。
　　(3)CAN監控終端的監聽是開放的，并不需要接收的數據包的標識符與自身的標識符一致。但數據包內第1個字節指明了發送該數據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，則繼續處理其他字節的內容；否則，丟棄該包。數據包內第2字節表示參數的類型，其余字節是浮點形式的參數數據。
　　(4)在系統開始運行時，各懸浮節點并不向CAN監控終端發送數據，只有在CAN監控終端向某個節點發出“發送允許”命令之后，該節點才定時地向CAN監控終端發送上傳數據。如果CAN監控終端要監聽其他節點的數據，則需先禁止當前節點的數據發送，再向其他節點發出“發送允許”命令。這樣可以有效減小CAN總線上的數據流量。
　　上述協議可以有效地維持CAN網絡中的數據通信秩序。
　　從實際出發，要求軟件盡量簡單，界面盡量友好，便于操作。在實現時，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狀態讀取和LCD數據寫入等。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，確定波特率及通信對象，向被監控節點發出“發送允許”命令等。
　　程序主體是一個大循環。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模塊是否接收到數據。如果沒有接收到數據，則繼續掃描鍵盤。如果接收到了數據（即相應的CAN接收中斷標志位置位），則將接收到的數據包按上述協議進行分析、整合處理，然后在屏幕上顯示出接收到的數值；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現有按鍵按下，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。
　　這里數據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接收數據的速度時，會形成中斷嵌套，時間長了就會出現堆棧溢出。此外，采用中斷方式在數據量大時會出現DSP無暇顧及用戶鍵盤輸入的現象。實踐表明，采用查詢的方式可以很好地發揮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、漢字等點陣數據做成一個庫，放入段內，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值的范圍，然后在內存中開辟一個同X坐標點數一樣大小的緩沖區BUFF，用于記憶已經繪制的各點的坐標；同時設定一個X指針，用于存儲當前的X坐標。當接收到新的數據，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的位置繼續繪圖。
　　屏幕下方有關菜單的操作也是采用樹結構實現的，這里不再詳述。
　　CAN監控終端向懸浮節點發送數據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。在每次數據發送之前，程序都需要讀入撥碼開關的狀態，以確定通信的波特率和通信對象的標識符。在實現上，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送標識符。
4? 結束語
　　使用表明，這種基于TMS320LF2407A DSP的CAN總線監控終端在多懸浮控制器組成的網絡中可以發揮很好的監控和調試作用，其結構小巧、界面友好，使用相當方便。