基于CAN 總線和組態軟件的柴油機試驗和測試系統研究

吳杰長 吳雄學 陳國鈞

（海軍工程大學船舶與動力學院 武漢 430033）

柴油機試驗和測試過程中，有大量工作參數需要實時監測、記錄、保存和繪制圖表曲線進行分析，并可隨時調閱歷史數據，因此在試驗測試系統研制中更需關注軟件界面人機交互性能和硬件通用性、可維性等方面的設計.根據上述要求，以及從提高開發效率、使用方便性、易推廣性和功能易擴充性出發，有必要充分應用工業自動化領域已發展成熟和得到廣泛應用的技術成果，如現場總線技術、組態軟件技術等.在目前國際上具有廣泛影響的幾種現場總線［1］（CAN－controller area network，LON－local operating network，PROFIBUS－process field bus，FF－foundation field Bus）中，CAN 總線在20世紀80年代以來即得到了Motorola，Intel，Philips，Siemens，NEC 等公司的支持，其支持器件非常豐富，且由于采用了許多新技術和獨特的設計手段，其數據通信的可靠性、實時性、靈活性和錯誤管理能力尤為突出，因而被公認為是適于工業現場、具有良好發展前景的總線標準.此外，考慮到基于微機的虛擬監測平臺具有開發容易、可靠性高、移植性好、成本低和界面友好、便于數據記錄分析等諸多優點，且開發工具極為豐富，既可以采用各種高級語言（如Visual C＋＋，Dephi，Visual Basic），也可采用工控組態軟件開發，而且采用組態軟件編程更易于實現友好的人機界面［2］和進行數據分析，滿足工程要求.

基于上述考慮，本文特基于CAN 現場總線和Intouch組態軟件的柴油機試驗和測試系統進行研究.

1 試驗測試系統設計與實現

1.1 基本構成

基于CAN 總線的典型網絡測控系統［3－7］包括若干個CAN 現場監控節點，用來進行外部輸入信號的調理、驅動外部執行器，其特定功能由開發人員根據需求設計與實現；一個或多個PC 機CAN適配器節點，用來將CAN 網上信息與PC機進行交換通信，配置多個此類節點可方便地構成多機、多點備份系統和總線監視器.CAN 節點間的互連網線可采用光纜、同軸電纜、雙絞線等物理媒介.

根據實驗室測試平臺構成情況，本文構建的柴油機試驗測試系統總體構成如圖1所示，共配置1個上位PC機節點和3個現場CAN 節點，現場節點分別采集以下參數：柴油機轉速、柴油機油門位置、測功器進出水閥開度參數；油水溫度和排氣溫度參數；油水壓力和排氣背壓參數.試驗平臺中，柴油機采用電子調速器進行控制，故轉速的電控單元與CAN 總線網絡測試系統完全獨立.

圖1 基于CAN 總線的柴油機試驗測試系統

1.2 CAN 節點通信接口電路及通信程序

對于網絡中的任意節點，都涉及CAN 總線接口的電路設計問題，這與電路設計時所選用的器件密切相關，可根據元器件生產商所提供技術資料中的參考電路進行設計.本文選用帶CAN 控制器的P80C592單片機和82C250型CAN 總線驅動器進行電路設計，具體實現電路參見文獻［3］.

CAN 節點軟件是實現CAN 總線測控系統優良特性的重要保證，在本文所設計的電路中，CAN 控制器對于CPU 來說，是以確保雙方獨立工作的存儲器映象外圍設備出現的，因此軟件編程工作主要針對CAN寄存器而進行，下文中以CAN報文接收濾波和CAN 中斷的編程予以說明.

在P80C592單片機的CAN 寄存器中，接收碼寄存器ACR 和接收屏蔽寄存器AMR 是用來進行報文接收濾波、決定CAN 控制器是否接收總線信息的.在CAN 通信中，只有滿足式（1）的報文才能被接收，不符合該條件的報文則被忽略，基于這一特點即可實現特定的節點間通信或全局廣播通信，文中報文接收濾波編程依據下式進行.ID.10，ID.9，…，ID.3＝AC.7，AC.6，…，AC.0或

在本文程序設計中，CAN 通信是在CAN 中斷程序中借助DMA 邏輯、在后臺實現高速傳送完成的.首先應在初始化中設置CAN 允許中斷，在滿足式（1）條件下，只要CAN 接收器無差錯地接收到一則報文，CPU 就進入CAN 中斷子程序.在CAN 中斷子程序實現DMA 傳送的步驟是：首先確定緩沖區地址并寫入CANSTA，然后將CANADR.7（DMA）位置“1”，待傳送報文即可由指定緩沖區開始傳送至RAM.

現場節點所要完成的如信號A／D 轉換、軟件濾波、LED 顯示刷新等常規功能編程與CAN 控制器無關，電路設計及編程方法與通常測控電路相同.

1.3 PC微機CAN 適配器的設計

對圖1所示的柴油機試驗測試系統，PC微機CAN 適配器的開發是功能實現的關鍵.通過微機CAN 適配器，上位微機才能訪問所有柴油機試驗數據.在CAN 總線系統中，CAN 適配器（CAN－adapter）是插于PC 機ISA 總線或其他總線插槽的CAN 通信接口板.要實現PC 機和CAN 控制器之間的數據交換，首先必須在PC 機和適配器之間建立雙向的數據交換通道，實現這類數據交換的方式有I／O 端口法和內存映象法.

I／O端口法的基本實現途徑是：PC機利用I／O端口“讀／寫”方式將數據傳送到適配器上的微控制器，然后，微控制器再將數據存儲在適配器的外部數據存儲器中，等待CAN 控制器進行數據通信.PC機中的CPU 采用I／O獨立編址方式，在軟件實現上采用專門的I／O 指令（如C 語言中的inport（）、outport（）庫函數）來對接口地址進行操作.

采用雙口RAM 是以內存映象法實現CAN適配器的關鍵，其基本原理是：將適配器上雙口RAM（Dual－port RAM）的地址配置于PC機的內存高端區，PC機采用“讀／寫”內存的方式訪問適配器的雙口RAM，在PC機不訪問適配器的雙口RAM 時，適配器微控制器可以訪問雙口RAM；反之，在微控制器訪問雙口RAM 時，PC 機不能訪問雙口RAM.內存映象法數據交換的橋梁是雙口RAM，“握手”是由雙口RAM 內置的接口管理邏輯自動完成.選用IDT7132SA25P 雙口RAM 設計的適配器電路原理框圖見圖2.圖中CAN 適配器占用的PC 機地址空間為DA00：0000H～DA00：07FF，不可配置為其他用途.

圖2 CAN 適配器電路原理圖

1.4 Intouch組態軟件及與CAN 適配器的通信

本文采用組態軟件作為上位機數據管理和分析軟件的開發平臺.與其他組態軟件［8］一樣，Intouch軟件對構建虛擬測控人機界面極其快速簡便，各種邏輯或數值運算功能依賴于4類腳本（程序模塊）：按時間間隔循環執行、按是否滿足預定條件而執行、由數據變量的更改觸發執行、或只對特定窗口起作用的腳本，程序的協調運行可以理解為基于事件驅動調度機制.Intouch與底層硬件的通信主要借助于DDE方式實現.

對于圖1所示的系統，對CAN 適配器進行報文接收濾波和DMA 通信編程便可將CAN 現場節點監測的數據根據需要傳送至適配器RAM 空間.所以，此處DDE通信程序的任務是：通過編程，確保Intouch與CAN 適配器數據的雙向交流.

為了實現對CAN 適配器數據的訪問，DDE程序采用C 語言開發，借助C 中的標準庫函數MK＿FP（segment，offset）實現雙口RAM 中segment：offset地址單元數據訪問.此外在編程中還必須正確設置DDE 客戶端的LinkTopic，以便DDE作為服務器程序知道所服務的對象即客戶為Intouch軟件，從而建立雙向通信.

在Intouch編程環境下，由于其本身提供了Windows環境下的DDE 機制，DDE 通信的實現只在于正確設置以下項目：DDE 訪問名、DDE 應用程序／服務程序名稱、DDE 主題名，以及進行DDE標記名（變量）定義.

2 軟硬件集成調試及試驗

為實現柴油機動力參數的全面、實時監測和性能考核，在圖1 基礎上另配置獨立于CAN 總線網絡的3臺湘儀動力測試儀器廠的JC 型轉矩測量儀、3塊基于ISA 總線的PI900轉矩測量卡進行轉矩測量，其最小采樣間隔為10ms，滿足動態轉矩實時測量要求.在軟件設計中，按板卡I／O通信要求在上位監控微機中將其地址配置為300～31，340～35 和380～39FH，中斷號配置為IRQ10，IRQ11 和IRQ12，在VB環境下采用PI900的DLL函數開發專用DDE 服務器程序與Intouch進行通信.綜合CAN 總線網絡和轉矩測量的全試驗測試系統軟件模塊化構成及交互關系如圖3所示，包括上位監測數據分析及人機界面程序、DDE通信程序（含CAN 總線通信參數和轉矩參數）、CAN 適配器驅動程序，以及現場CAN節點數據采集處理程序，圖中的上位監測分析軟件借助Intouch的豐富控件、實時及歷史曲線向導工具實現，由此提供了完整的數據管理、分析功能和友好的圖形化交互界面.

圖3 試驗測試系統軟件模塊化構成及交互

圖4 柴油機轉速、功率試驗實時曲線

集成后的全系統主要監測和記錄柴油機的轉速、油門位置、輸出轉矩、油水溫度和壓力，以及齒輪箱滑油壓力等參數，同時可通過微機自控方式實現柴油機啟停、離合器離合、測功器負載的控制.采集記錄的參數用以對柴油機雙機或單機運行過程進行試驗測試.以上參數全部以虛擬儀表形式實時顯示在基于Intouch編程實現的虛擬監測平臺上，并自動繪制成以時間為橫坐標的實時變化曲線，同時亦可隨時調用歷史試驗數據庫繪制歷史曲線，便于分析柴油機工作特性.圖4即為試驗過程中軟件自動記錄的雙機共同工作、在設置多檔轉速及負荷調節過程中，柴油機轉速和功率隨時間變化的實時曲線.

3 結 論

本文研究工作和實機試驗表明，基于CAN總線和組態軟件進行柴油機試驗測試系統的開發具有電路設計及調試維護簡便、編程快捷、界面友好的特點，適于相關領域工業測控系統開發，總體而言具有如下優點：

1）通過采用CAN 總線、取消傳統繁雜線路，使系統硬件設計得以極大簡化，安裝調試方便，可維性顯著改善.

2）按CAN 協議進行程序設計，可實現基于競爭的多主工作方式、通過編程報文數據的優先級實現高實時性、實現非破壞性總線仲裁和報文接收濾波編程、以及暫時錯誤和永久性故障節點自動判別自動脫離等多項優良特性.

3）易于實現標準化、模塊化設計思想，具有更好的擴充性、移植性.

4）軟件編程工作量大大減少，人機界面更友好，易實現基于微機的虛擬監測平臺.

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