作者：楊艷秋，李建勇，曹長修

1 緒論

隨著網絡技術的不斷發展，Internet把世界上分散的計算機系統、通信系統實現了互連，形成了共用數據網絡，成功的實現了網絡資源共享。而CAN總線技術使得控制系統向著分散化、網絡化、智能化的方向發展，使控制技術與計算機以及網絡技術更為緊密的結合在一起。隨著CAN總線控制網絡的進一步發展，控制網絡與因特信息網絡的結合，方便了對設備的遠程監控、診斷和維護。

2 系統模型概述

本設計采用在CAN總線控制網絡和因特網之間加入一個轉換接口。這種方式是通過硬件來實現的，即在底層網絡與中間監控層之間加入中繼器、網橋、路由器等專門的硬件設備，使控制網絡作為信息網絡的擴展與之緊密集成。硬件設備可以是一臺專門的計算機，依靠其中運行的軟件完成數據包的識別、解釋和轉換；對于多個網段的應用，它還可以在不同網段之間存儲轉發數據包，起到網橋的作用。

轉換接口的集成方式功能較強，但實時性較差。信息網絡一般是采用TCP/IP的因特網，而TCP/IP沒有考慮數據傳輸的實時性，當CAN設備有大量信息上傳或遠程監控操作頻繁時，轉換接口都將成為實時通信的瓶頸。但是隨著因特網技術進一步發展，這個瓶頸問題將逐步得到解決。

3測控系統工作原理及組成

本系統采用C8051F060單片機作為控制網絡層的核心控制器，采用三星公司的S3C2410嵌入式微處理器設計信息網絡，將工業現場設備和遠程服務器、工作站連為一體，構建了體積輕巧、功能強大、方便靈活的企業網絡。

3.1系統方案

本系統由信息網絡層和控制網絡層兩部分組成。信息網絡層是基于S3C2410的ARM系統，運行著TCP/IP協議和現場總線CAN協議；控制網絡層是基于C8051F060的控制網絡測控系統，它直接與工業測控設備聯系，負責測量、調節現場參數，將測量結果通過CAN送給ARM，或是接收ARM下傳的數據調控現場設備。論文對CAN總線控制網絡和因特網進行了深入研究，提出在提高信息網絡協議標準的實時性和兼容性的基礎上，從底層設備到遠程監控系統都使用統一的協議標準的設計方案，以確保信息準確、快速、完整傳輸。本方案的優點是價格低廉、功能強大、方便靈活。整個系統的示意圖如1所示。

3.2信息網絡部分

信息網絡要對控制系統的底層控制參數進行決策，因此信息網絡在控制系統中扮演著重要的角色。一方面它要和遠程PC通信，另一方面它還要和控制網絡層的單片機通信，起著連接PC和工業現場智能設備的橋梁作用。

信息網絡層采用的S3C2410，是韓國三星電子公司最近推出的一款基于ARM920T內核的16/32位RISC嵌入式微處理器。該處理器主要面向手持式設備以及高性價比、低功耗的應用。S3C2410內部結構較復雜，提供可擴展的功能模塊也較多，如圖2所示。

3.3控制網絡部分

網絡測控系統擴展CAN總線模塊，要擔負至少兩個方面的任務：一是支持現場操作，包括數據采集、人-機對話等；二是與上級節點進行數據交互，作為網絡測控系統的底層設備，系統結構框圖如圖3所示。

基于CAN總線的分布式測控卡主要由單片機C8051F060、輸入/輸出電路、電源電路、人-機接口和通信接口（包括RS-232和CAN總線接口）幾部分組成。測控卡的工作原理如下：C8051F060單片機是完全集成的混合信號片上系統型MCU，是數據采集與實施控制的理想微型控制器。它集成了兩個16位、1Msps的模擬/數字轉換器，且帶有DMA控制器；集成有兩個12位數字/模擬轉換器，具有可編程數據更新方式；集成有控制器局域網（CAN2.0B）控制器，具有32個消息對象，每個消息對象有自己的標識掩碼。工業現場設備的狀態參數通過I/V轉換成電壓信號，C8051F060單片機采集此信號后，通過CAN總線發送給上級網絡節點，同時上級網絡節點下傳的命令和參數經DAC和V/I轉換電路轉換成0“20mA的電流信號，控制現場設備。人-機界面提供系統狀態與操作人員的友好交流平臺，且備用了一路RS-232異步串行通信總線。

4 信息網絡和控制網絡之間的通信

CAN與Internet是采用不同通信協議的兩種異構網絡。首先，CAN通信基于報文，無需為每個節點設定一個獨立且唯一的地址。它采用標識符來表明報文的內容，CAN節點接受到一個報文時，通過基于標識符的濾波機制來決定處理或拋棄該報文。而Internet上的IP數據包傳輸是面向連接的，基于節點地址來傳送，Internet上的每一個節點都必須設定一個唯一點IP地址。其次，CAN與Internet采用不同的沖突仲裁機制。CAN采用的是無破壞性仲裁機制，當多個節點同時向總線發送數據造成媒體訪問沖突時，優先級較高的報文不受影響地繼續發送，而優先級較低的報文會自動停止，并等待總線空閑時再嘗試重新發送。。另外，CAN采用短幀結構，其最大長度只有16B。而IP數據包的長度遠遠超過了CAN數據幀的長度，最長可達16KB。

4.1通信方式

實現異構網絡之間的通信，需要在不同的協議之間進行轉換，這可通過網關來完成。網關又被稱為網間協議轉換器，用于連接采用不同通信協議的網絡，實現網絡之間的數據傳輸。當一個報文要求從一個網段發送到另一個網段時，網關需要完成該報文的接受、翻譯與轉發工作。要實現協議轉換，網關必須具備它所要連接到不同網絡的協議包，由于TCP/IP協議包需要較大的存儲空間，因此，大多數情況都是用PC機來充當網關。但在某些情況下使用PC機并不方便，需要在MCU/MPU嵌入式系統中實現網關功能。一種方案使用高檔的32位、64位MCU/MPU，內嵌了成熟的實時多任務操作系統，具有完整的TCP/IP協議包，能夠很好地完成與Internet的連接。這種方案具有足夠快的運行速度，采用精簡的TCP/IP協議包。嵌入式設備連接到Internet，互連實現數據信息交換或者遠程訪問和機器控制，TCP／IP協議是互連的核心技術。

4.2軟件實現

由于被測控的幾個量都是緩慢變化的，對測控系統的實時性要求不高。單片機大部分時間在進行參數測量，每次測量結束后使用查詢方式將測量結果保存到數據緩沖區中。由于單片機的RAM容量有限（C8051F060具有4K的RAM），使用了數據緩沖區，以保存一定數量的測量結果。緩沖區使用先進先出策略，在保存時先判斷緩沖區是否填滿，沒滿時緩沖指針加1，數據保存進下一個單元，填滿時使指針指向緩沖區的頂部，數據保存進緩沖區，以前的數據丟掉。本系統的設計重點是CAN通信，因此，在CAN通信時采用了中斷方式。整個測控系統部分的軟件流程圖如圖4。

5 結束語

計算機監控系統是一個集資源管理、工業控制于一體的調度系統在此監控系統中，底層控制網絡采用了CAN總線技術，節約了設備投資、提高了測量的精度和系統的可靠性；在信息網絡層，采用了嵌入式微處理器，既保證了系統的可靠性，實時性，又方便了系統的維護。這些先進技術的綜合運用，使生產調度監控系統不僅很好地滿足了生產調度的需要，而且大大提高了生產的效率。

本文作者創新點：

由于分布式控制網絡采用了面向不同應用的協議標準，因此二者集成時需要某種數據格式的轉化，這就不能保證數據的準確性，本文采用嵌入式MPU和TCP/IP協議就可以很好的解決這個問題。

責任編輯：gt