嵌入式系统/ARM技术中的基于CAN总线的电工实验指导系统设计
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2020-12-02
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嵌入式系统嵌入式系统/ARM技术中的基于技术中的基于CAN总线的电工实验指导系统总线的电工实验指导系统
设计设计
0 引言 在生产现场控制系统中，智能设备与常规电气设备的安装、调试与维护需要相当数量的电气技术人
员，如何高效、批量、规范地培养高级电气操作人员是教仪厂商急需解决的问题。它要求设备具备通信功能，
让教师能掌握训练过程的动态指标，从而了解学员的实际实验情况，可对实验过程进行控制，实现分类指导。
本文通过对CAN(控制器局域网)协议及其应用的研究，利用CAN通信控制器、CAN收发器以及增强型微控
制器等元器件，研制并开发一种基于CAN总线的应用系统--电工实验指导系统，在电工实验室开出网络化实验教
学课程，从而改变常规教学方法的不足，让学生更加自主、灵活地完成其实验任务，并可根据自己的情况进行
0 引言
在生产现场控制系统中，智能设备与常规电气设备的安装、调试与维护需要相当数量的电气技术人员，如何高效、批量、
规范地培养高级电气操作人员是教仪厂商急需解决的问题。它要求设备具备通信功能，让教师能掌握训练过程的动态指标，从
而了解学员的实际实验情况，可对实验过程进行控制，实现分类指导。
本文通过对CAN(控制器局域网)协议及其应用的研究，利用CAN通信控制器、CAN收发器以及增强型微控制器等元器件，
研制并开发一种基于CAN总线的应用系统--电工实验指导系统，在电工实验室开出网络化实验教学课程，从而改变常规教学方
法的不足，让学生更加自主、灵活地完成其实验任务，并可根据自己的情况进行扩展实验，为建立开放性实验实训设施基地打
下良好的基础，还能使学员体会到网络实验的实际价值，了解CAN总线控制技术的基本知识。
1 CAN总线网络通信层的模型与协议
针对不同的应用领域可选择不同的应用规范，对于一般的应用领域，采用"命令-响应"模式的通信协议，就可以实现可靠
而有效的"主-从"式通信网络。如果需要进行大量数据交换或通信方式灵活的CAN网络，则可采用一些标准的多主通信协议，
如HilonB协议，或者采用CAN2.0协议中远程帧定义。在汽车电子产品领域，通常参考或直接采用J1939等标准规范。在电力
通信设计领域，则常采用DeviceNETV2.0规范，该规范己被我国采纳国家标准。在智能楼宇通信领域，一般使用Modbus协议
或延用RS-485模式的"主-从"协议。
本系统在建立实际CAN总线通信网络时，使用CAN底层硬件来实现对物理层、数据链路层的控制。应用CAN2.0A/B协议
规定的通信检错等机制保证CAN总线通信网络的可靠性，建立了用户协议层的通信协议，并对网络上的通信数据流进行解释
与管理。其用户协议层(应用层)通信协议由数据帧和远程帧格式定义来实现，属于"主-从"式结构。
2 硬件系统的组成与模块硬件的设计
基于现场总线的电工实验指导系统的硬件主要由主机、接口卡、智能节点(从机)组成。主机中有应用程序和数据库等文
件；接口卡是CAN实现通信的桥梁，同时，在网络中它也作为一个节点；智能节点由基于现场总线、单片机技术的数据采集
与传输模块以及实际操作接线装置等组成。节点能够在计算机的控制下对学生的电工实验进行智能指导。
2.1 数据采集与传输模块的设计
数据采集与传输模块可分为5个主要部分，即：由单片机AT89S52组成的主机部分；由SJA1000、PCA82C250、光电隔
离电路等组成的CAN总线控制及接口部分；由+5V基准电压源、驱动三极管、LED指示灯、数码管组成的电源与显示部分；采
用4片8255作为I/O口的扩展，并与操作工位后端接口等电路组成的数据转换与采集部分；实际操作工位。
AT89S52单片机作为主机，负责对SJA1000进行初始化，通过控制SJA1000实现数据的接收和发送等通信，实施对实验
数据的采集，采用P1口控制动态扫描显示与指导实验相关的数据等。选用74L,S373作为地址锁存器，用74LS138对8255、
SJA1000进行片选。
2.1.1 CAN总线控制及接口部分
在从机的运行过程中，由于主控CPU需完成多项工作任务，在要求具有一定的灵活性的同时，还需使系统具有一定的可
扩展性，因此，从机中的CAN控制器选用Philips公司的SJA1000。选用PCA82C250作为CAN总线的收发器，它也是CAN协议
控制器与物理层之问的接口，具有抗瞬变、抗射频和抗电磁干扰的性能，内部的限流电路具有电路短路时对传送输出级进行保
护的功能。在节点(工位机)与介质之间加入光耦电路，即SJA1000的TX0和RX0并不是直接与82C250的TXD和RXD相连，而
是通过高速光耦6N137后与82C250相连。6N137为高速光隔器件，作为外线路与系统之问的隔离，并采用两个完全隔离电源
VCC和VDD分别对光耦两部分电路供电，从而达到信号之间的完全隔离，这样可有效地提高系统的抗干扰能力和内部系统的
安全性。SJA1000的ADO～AD7连接到AT89S52的P0口，CS连接到74LS138的Y4端口，Y4为0时CPU片外存储器地址可选
中SJA1000，CPU通过这些地址可对SJA1000执行相应的读写操作，SJA1000的RD、WR、ALE分别与AT89S52的对应引脚
相连，可将INT接AT89S52的INT0或INT1。AT89S52可通过中断或查询方式访问SJA1000，也可将INT接AT89S52的其他端
口，采用查询方式访问SJA1000。
2.1.2 数据转换与采集部分
1)数据转换电路的设计
根据电气控制原理的分析与研究，从中优化出一种比较通用的接线方法，让对应的点按操作顺序依次向CPU的I/O口提供
一定规则的+5 V电平，即可完成采样和数字量的转换。学生操作工位的正面为与实际接线端子插孔，其背面为与之相连的信
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