摘要：調(diào)節(jié)多點(diǎn)控制器的控制參數(shù)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，以CAN_BUS通信協(xié)議為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種連接多個(gè)CAN端點(diǎn)的調(diào)試系統(tǒng)，通過創(chuàng)建通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與控制器的CAN端點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交流。闡述了控制器與上位機(jī)的通信流程。

磁懸浮轉(zhuǎn)向架的懸浮由四組電磁鐵實(shí)現(xiàn)，每組電磁鐵都有獨(dú)立的懸浮控制器，控制該點(diǎn)的懸浮與下落。為了獲得最優(yōu)的控制參數(shù)，需要在整個(gè)轉(zhuǎn)向架的懸浮過程中通過上位機(jī)監(jiān)視軌道與電磁鐵之間的間隙、電磁鐵工作電流等狀態(tài)參數(shù)以及懸浮控制器的控制參數(shù)，動(dòng)態(tài)地修改控制參數(shù)以觀察控制效果。

懸浮控制器之間是相互獨(dú)立的，上位機(jī)無法同時(shí)監(jiān)控多個(gè)懸浮控制器，因此需要找到合理的通信方式使上位機(jī)同時(shí)與所有的控制器連接，使它們之間能夠?qū)崟r(shí)傳遞數(shù)據(jù)。CAN總線是一種有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的多主的異步串行通信網(wǎng)絡(luò)。由于CAN總線具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，支持差分收發(fā)，適合高噪聲環(huán)境，具有較遠(yuǎn)的傳輸距離，在各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。CAN通信協(xié)議規(guī)定通信波特率、每個(gè)位周期的取樣位置和個(gè)數(shù)都可以自行設(shè)定，這保證了用戶在使用過程中的靈活性。選用CAN總線，無論是在抗電磁干擾方面還是在實(shí)時(shí)性方面都能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求。

圖1

1 調(diào)試系統(tǒng)硬件端口的設(shè)計(jì)

懸浮控制器使用SJA1000作為CAN總線協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片。SJA1000是一種獨(dú)立控制器，用于移動(dòng)目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制。它內(nèi)建BASIC CAN協(xié)議，并提供對(duì)CAN2．0B協(xié)議的支持。通過對(duì)片內(nèi)寄存器的讀、寫操作，懸浮控制器的核心處理器能夠設(shè)置CAN總線通信模式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。它的傳輸速度很快，位速率可達(dá)1Mbit／s，可滿足高速大流量實(shí)時(shí)傳輸要求。

SJA1000在邏輯上實(shí)現(xiàn)了傳輸數(shù)據(jù)的編碼和解碼，若要與物理線路連接，必須借助總線驅(qū)動(dòng)器。PCA82C250是協(xié)議控制器與物理鏈路之間的接口，可以用高達(dá)1Mbit／s的位速率在兩條有差動(dòng)電壓的總線電纜上傳輸數(shù)據(jù)，它與SJA1000結(jié)合才能實(shí)現(xiàn)CAN總線通信。

圖1為CAN總線接口電路原理圖。圖中，SJA1000用16MHz的晶振作為基準(zhǔn)時(shí)鐘，數(shù)據(jù)線AD0～AD7與核心控制器的低八位數(shù)據(jù)線相連，在CS、RD、WR的控制下可實(shí)現(xiàn)芯片寄存器的讀寫。RX0和TX0與PCA82C250數(shù)據(jù)輸入引腳相連，作為串行數(shù)據(jù)線。RX1與PCA82C250的參考電壓引腳5相連，向PCA82C250輸出參考電壓。PCA82C250的兩根輸出數(shù)據(jù)線之間加上120Ω的終端電阻，用以匹配線路。

上位機(jī)通過專用的USBTOCAN轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與CAN總線的連接，市場(chǎng)上有很多這類產(chǎn)品，這里不再詳細(xì)說明。上位機(jī)主要提供人機(jī)交互界面，顯示狀態(tài)和控制器參數(shù)，并完成參數(shù)與程序的下載。

2 通信協(xié)議構(gòu)建

DSP控制器上的CAN總線端口要完成兩項(xiàng)工作：(1)上傳控制器的控制常量和電流、間隙等狀態(tài)參數(shù)，送給檢測(cè)系統(tǒng)；(2)讀取上位機(jī)下傳的待修改的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的在線修改，接收下傳的程序文件，實(shí)現(xiàn)DSP主程序的在線寫入。

在調(diào)試過程中，實(shí)現(xiàn)多DSP系統(tǒng)的在線聯(lián)調(diào)是很有效的調(diào)試手段。這樣，上位PC機(jī)不但能夠采集各控制器的狀態(tài)參數(shù)，還能夠?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行整理與顯示，并能實(shí)時(shí)調(diào)整不同控制器的控制參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)控制器運(yùn)行程序的遠(yuǎn)程下載。

為實(shí)現(xiàn)CAN總線的數(shù)據(jù)傳送，需要定義參數(shù)包、程序包、命令包三種傳送數(shù)據(jù)包，并分別由0x11、0x22、0x33標(biāo)示出來。根據(jù)數(shù)據(jù)傳送方向的不同，數(shù)據(jù)包的格式略有差異。考慮到CAN總線上的節(jié)點(diǎn)較多，為避免數(shù)據(jù)傳送過程中出現(xiàn)混亂的情況，定義數(shù)據(jù)發(fā)送的基本數(shù)據(jù)包大小為8個(gè)字節(jié)，即CAN總線一次傳送的最大字節(jié)數(shù)為8。

    2．1 下傳數(shù)據(jù)協(xié)議

下傳數(shù)據(jù)包括程序、參數(shù)、命令三種數(shù)據(jù)類型。

2．1．1 參數(shù)數(shù)據(jù)包格式

上位機(jī)需要下傳的數(shù)據(jù)包括控制參數(shù)C1、C2、C3及給定間隙與電流，根據(jù)修改需要，每個(gè)參數(shù)都是單獨(dú)下傳的。下傳數(shù)據(jù)包的大小與CAN的最大有效傳送字節(jié)數(shù)一致，為8個(gè)字節(jié)。第一個(gè)字節(jié)指出數(shù)據(jù)包的類型(用Oxll標(biāo)示)，第二個(gè)字節(jié)指出參數(shù)類型(用0xx7標(biāo)示)，第三字節(jié)至第八字節(jié)指出傳送的有效數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)上面給定參數(shù)的參數(shù)標(biāo)示依次為0x17、0x27、0x37、0x47、0x57。圖2所示為數(shù)據(jù)包的一般格式。

2.1.2 程序數(shù)據(jù)包格式

FLASH寫入文件較大，一般有幾十K字節(jié)。控制系統(tǒng)采用的FLASH芯片AT29C010以128字節(jié)為基本操作單位。為了適應(yīng)芯片，可將文件分成128字節(jié)的數(shù)據(jù)段，并為每個(gè)數(shù)據(jù)段標(biāo)定次序。發(fā)送時(shí)，標(biāo)出數(shù)據(jù)段號(hào)及該片數(shù)據(jù)所處段中的位置即可。控制器接收到128字節(jié)后，做一次寫入FLASH操作，數(shù)據(jù)包格式及說明見圖3。

    2．1．3 命令數(shù)據(jù)包格式

命令數(shù)據(jù)指出對(duì)下傳參數(shù)的操作，Oxx7+0x44表示對(duì)某一參數(shù)的修改生效，如：0x17+0x44使能C1，0x27+0x44使能C2，0x37+0x44使能C3。如果修改的參數(shù)不能滿足控制要求，調(diào)試員希望能恢復(fù)原來的運(yùn)行參數(shù)，因此定義0x55為修改參數(shù)恢復(fù)命令，如：0x17+0x55恢復(fù)C1，0x27+0x55恢復(fù)C2，0x37+0x55恢復(fù)C3。0x66+0x66表示將下傳數(shù)據(jù)寫入最后的FLASH參數(shù)存儲(chǔ)區(qū)。命令數(shù)據(jù)包格式如圖4所示。

2.2 上傳數(shù)據(jù)協(xié)議

上傳數(shù)據(jù)包的大小也為8個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)包類型分為參數(shù)反饋、命令反饋兩種，參數(shù)反饋用于上傳DSP的實(shí)際運(yùn)行控制參數(shù)及間隙、電流等狀態(tài)信息，命令反饋用于對(duì)PC機(jī)使能、寫入、參數(shù)恢復(fù)等命令的應(yīng)答。

上傳數(shù)據(jù)依次為控制參數(shù)C1、C2、C3、CURRENTl、CURRENT2、CLEARANCE。數(shù)據(jù)類型標(biāo)示依次為0x17、0x27、0x37、0x47、0x57、0x67。由于上位機(jī)要同時(shí)接收多個(gè)控制器上傳的數(shù)據(jù)，所以為了正確區(qū)分這些參數(shù)，需要給上傳的數(shù)據(jù)包加入端口標(biāo)示，指出數(shù)據(jù)包來自哪個(gè)總線端口。上傳的數(shù)據(jù)包在前面格式的基礎(chǔ)上還要加入對(duì)應(yīng)于各控制器的CAN總線端口號(hào)。

上傳命令是對(duì)總線通信出現(xiàn)異常情況的應(yīng)答，因?yàn)榭刂破麟S時(shí)將控制參數(shù)上傳，且參數(shù)字節(jié)數(shù)較少，出錯(cuò)的可能性較低，不需配備應(yīng)答命令；而上傳程序的數(shù)據(jù)量較大，容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，必須配備應(yīng)答命令，指示程序?qū)懭脒^程。

因?yàn)榭刂破魇侵芷谛缘貟呙鑃JAl000的接收緩沖區(qū)，當(dāng)總線連接的節(jié)點(diǎn)較多時(shí)，數(shù)據(jù)量較大，難免會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)漏收的情況；而且控制器對(duì)外部中斷的響應(yīng)也會(huì)影響掃描周期，使接收緩沖區(qū)中未來得及讀取的數(shù)據(jù)被新數(shù)據(jù)沖掉。當(dāng)控制器發(fā)現(xiàn)應(yīng)接收的數(shù)據(jù)位置與已接收到的數(shù)據(jù)位置不符時(shí)，控制器發(fā)差錯(cuò)命令給上位機(jī)，指出應(yīng)接收的數(shù)據(jù)段號(hào)及位置，上位機(jī)接收到這一信息后重發(fā)相關(guān)數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)包包含CAN端口字節(jié)、命令標(biāo)示、段號(hào)、位置號(hào)等信息。通信過程中也可能出現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)不符的情況，因此有必要引入數(shù)據(jù)校驗(yàn)算法?？刂破鲗⒔邮盏降?28字節(jié)校驗(yàn)后得到的校驗(yàn)值與接收到的校驗(yàn)值作比較，一致后才將數(shù)據(jù)寫入FLASH；否則反饋回校驗(yàn)值錯(cuò)誤信息，上位機(jī)重發(fā)該段數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)包包含CAN端口字節(jié)、命令標(biāo)示、段號(hào)、重發(fā)標(biāo)示(0x88)等信息。

圖5

3 通信程序設(shè)計(jì)流程

3．1 控制器通信流程

控制器的通信部分主要在主程序循環(huán)中完成。每次主程序循環(huán)中，控制器都向調(diào)試系統(tǒng)發(fā)送當(dāng)前C1、C2、C3、CURRENTl、CURRENT2、CLEARANCE等信息；一旦接收到調(diào)試系統(tǒng)下傳的信息，控制器便分析下傳信息的性質(zhì)，對(duì)它們分別進(jìn)行判別與應(yīng)答。

圖5是控制器的通信流程?？刂破魃想姾螅绦驈腇LASH的參數(shù)存儲(chǔ)區(qū)(最后256個(gè)字節(jié))讀取控制參數(shù)值，存人控制參數(shù)緩存中，作為參數(shù)初值。同時(shí)，控制器通過CAN總線接收上位機(jī)下傳的控制參數(shù)，校驗(yàn)后存入控制參數(shù)緩存中。一旦接收到參數(shù)使能命令，則將緩存中的數(shù)據(jù)復(fù)制給C1、C2、C3等變量，作為實(shí)際的工作參數(shù)；調(diào)試完畢后，在接收到參數(shù)寫入命令后，將參數(shù)寫入FLASH的參數(shù)存儲(chǔ)區(qū)，作為永久工作參數(shù)。接收到程序數(shù)據(jù)包后，控制器首先檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的次序，保證接收到的數(shù)據(jù)按次序排列；接著代入校驗(yàn)算法，將計(jì)算得到的校驗(yàn)值和接收的校驗(yàn)值作比較，不一致則給上位機(jī)反饋校驗(yàn)值錯(cuò)誤命令，要求上位機(jī)重發(fā)該段程序，否則將數(shù)據(jù)寫入FLASH。圖中監(jiān)控信息的發(fā)送周期可根據(jù)情況確定。

3．2 上位機(jī)通信流程

上位機(jī)是調(diào)試員與控制系統(tǒng)的接口，它顯示控制器的上傳參數(shù)，將調(diào)試員需要修改的控制參數(shù)下傳。為完成上述功能，調(diào)試界面應(yīng)包括參數(shù)顯示窗口、參數(shù)輸入窗口、命令工具條等，必要的話，還應(yīng)將狀態(tài)參數(shù)以曲線的形式顯示出來。調(diào)試人員根據(jù)狀態(tài)曲線調(diào)整控制參數(shù)。

圖6是上位機(jī)的調(diào)試流程，單控制器的總線最短發(fā)送周期為5ms，隨著總線通信量的增加，監(jiān)控界面的掃描周期也應(yīng)相應(yīng)延長(zhǎng)。參數(shù)顯示界面顯示的是上位機(jī)最新收到的參數(shù)，其值總是實(shí)時(shí)刷新的。發(fā)送修改參數(shù)時(shí)，每次只發(fā)送一個(gè)參數(shù)，上位機(jī)需將參數(shù)變成不大于4字節(jié)的字符型數(shù)組才能發(fā)送?？刂破髟谑盏絽?shù)數(shù)據(jù)包后，也要將數(shù)據(jù)字節(jié)逆序重組，才能得到需要的修改參數(shù)。上位機(jī)在下載程序的過程中，若在對(duì)某段程序多次重復(fù)發(fā)送后依然收到錯(cuò)誤反饋，則顯示錯(cuò)誤狀態(tài)，停止數(shù)據(jù)發(fā)送，由調(diào)試人員檢查線路，重新給出下載命令。

多個(gè)控制器控制參數(shù)的調(diào)試是一個(gè)相當(dāng)繁雜的過程，本文給出了基于CAN總線的調(diào)試系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)目的就是簡(jiǎn)化調(diào)試過程，縮短調(diào)試時(shí)間。應(yīng)用這套系統(tǒng)，調(diào)試人員可以同時(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)整多個(gè)控制器的控制參數(shù)，通過反饋的控制器狀態(tài)判斷參數(shù)優(yōu)劣，達(dá)到快速尋找最優(yōu)控制參數(shù)的目的，是調(diào)試過程中的一條有效輔助手段。