基于 ARM 与 CAN 的主机遥控系统.doc

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1、精品论文基于 ARM 与 CAN 的主机遥控系统智能控制器的设计洪毅根，李志宏 武汉理工大学自动化学院，武汉（430063） Email: hyg26摘要：现场总线技术（FCS）和微机控制技术在船舶自动化领域的应用越来越广泛。以ARM 7 微控制器 LPC2292 为控制核心，设计了一种基于 CAN 总线的主机遥控系统智能控 制器，给出了智能控制器的硬件设计和数据采集、CAN 总线通信的软件设计，通过 CAN 接 口模块实现对主机的机旁控制箱、集控台信号板、齿轮箱、黑匣子的通信与控制，上位机通 过网络接口模块对柴油机的运行状况进行监控，通过友好的人机界面对方便地修改柴油机的 运行参数，使其具有

2、更广泛的适用性，并对硬件抗干扰措施进行了探讨，在实验调试过程中, 运行状况良好,工作稳定。关键词：ARM；CAN 总线；以太网；智能控制器1. 引言随着现代船舶自动化的发展，船舶主机遥控系统采用微机控制已经成为主流，如荷兰博 瑞斯公司的 Mega-Guard,德国西门子的 SIMOSIMAC 551-2等，特别是嵌入式技术的发展，8 位，16 位或 32 位单片机逐渐代替微机完成信号采集和处理功能，通过现场总线完成系统设 计。PROFIBUS 以其特有的优点在工业现场中得到了广泛的应用，如作为 SIMOSIMAC 55 系列控制核心的西门子 S7 系列就大量的使用 PROFIBUS 作为其现场

3、总线，原本应用于汽车 领域 CAN 总线，由于其良好的性能及独特的设计, 越来越受到人们的重视，应用范围目前 已扩大到自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业等领域3。与一般的通信总线相 比，CAN 控制器以多主方式工作，总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强,易构成 冗余结构, 而且 CAN 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能,以使总线上其他节点 的操作不受影响，从而保证不会出现象在网络中，因个别节点出现问题，使得总线处于“死 锁”状态。因此本文采用 CAN 总线作为主机遥控系统的现场总线，这对于航行安全性要求较 高的船舶来说，在一定程度上提高主机遥控系统的可靠性和灵活性。由

4、于主机遥控系统的检测点数较多，主控芯片的数据传输以及数据运算量都比较大，如 图 1 所示，如果采用一个 8 位或 16 位主控芯片处理所有的通信以及控制功能，容易使主控 芯片在数据通讯量以及数据处理量较大的时候发生控制时序冲突，无法保证控制系统的可靠 性和实时性，因此本文选用具有 32 位微控制器的 LPC2292 作为主控芯片。- 5 -图 1 主机遥控系统结构图本文将嵌入式技术、现场总线技术及高性能 ARM 技术运用到船舶主机遥控的设计中， 提高了主机遥控系统的智能化、可靠性及安全性。2. 硬件设计2.1 主控制器的选择LPC2292 是 PHILIPS 公司推出的一款功能强大的超低功耗的

5、具有 ARM7TDMI 内核的32 位微控制器，其特点如下4：144 脚封装、两个 32 位定时器、八路 10 位 ADC、2 路 CAN 通道和 PWM 通道以及多达九个的外部中断,内部嵌有 256K 字节高速 Flash 存储器和 16K 字 节静态 RAM,包含 76(使用了外部存储器)122(单片应用)个 GPIO 口 。丰富的片上资源完全 可以满足主机遥控系统控制的需要,同时还可以减少系统硬件设计的复杂度。另外，LPC2292 支持 JTAG 实时仿真和跟踪、宽度的存储器接口和独特的加速结构，使 32 位代码能够在高 达 60MHZ 的操作频率下运行。LPC2292 内部集成有两路

6、CAN 控制器：符合 CAN2.0B，ISO 11898-1 标准规范；总线 数据波特率均可达 1Mbps；可访问 32 位的寄存器和 RAM；全局验收过滤器可识别几乎所有 总线的 11 位和 29 位 Rx 标识符；验收过滤器为选择的标准标识符提供了 FullCAN-style 自动 接收功能；8 路 10 位逐次逼近式 A/D 转换器：测量范围为 03.3 V；10 位转换时间低至2.44s；一路或多路输入的 Burst 转换模式；可选择由输入引脚的跳变或定时器的匹配信号 触发转换；具有掉电模式。作为本设计的核心部件，LPC2292 不仅担负起主控制器的作用,同时还通过 CAN 网络和 以

7、太网络的互联实现与上位机的通讯，方便操作人员对主机的运行情况进行监控。2.2 智能控制器的硬件电路的组成智能控制器的硬件设计分为 2 部分，主要由 CAN 接口部分和以太网接口部分组成。智 能控制器接受柴油主机和齿轮箱传上来的数字信号和模拟信号，模拟信号通过 LPC2292 内 部的模数转换器转换成数字信号，由 ARM 核对采集到的数据进行运算和逻辑判断、若发现不正常状态或故障则发出报警信号，若处于正常状态则根据车钟、控制信号，输出控制信号板上的指示灯、蜂鸣器，控制齿轮箱上的正倒车电磁阀，主机上的停油电磁阀和调速器。同 时将采集到的信息通过 CAN 总线与以太网的互联送到上位机，以对整个主机遥

8、控系统进行 实时监控。2.2.1 CAN 接口部分 对于不同的工业现场，被采集的量有所不同，构成数据采集节点的数据采集部分的电路会有略微差异.在本设计中，出于节约成本的考虑，本智能控制器兼作驾控台的数据采集节点，该节点可以采集 8 路模拟量及 8 路开关量.8 路模拟量先经信号调理，转换为 03.3 V 的 直流电压，再由 1：1 的隔离放大器送 LPC2292 的 10 位 ADC。10 位 ADC 的工作模式选择 与数据转换操作由 LPC2292 的内部寄存器 ADCR 和 ADDR 的编程控制完成。8 路开关量由 LPC2292 的 8 个 GPIO 进行输入。该节点的另一项重要任务就是

9、将采集到的数据及时安全地 传送到数据监测系统.LPC2292 内部集成了 2 路 CAN 控制器，硬件电路只需要在 LPC2292 的 TD1（CAN1 的发送器输出脚）与 RD（CAN1 的接收器输入脚）外接 CAN 总线驱动器即 可，如图 2 CTM8251 是带隔离的通用 CAN 收发器，其内部集成了所有必需的 CAN 隔离及 收、发器件，其主要作用是将 CAN 控制器的逻辑电平转换为 CAN 总线的差分电平并且具 有 DC 2500V 的隔离功能，在电路中只需把 TM8251 的 CANH 和 CANL 引脚外接 PESD1CAN，再连接到 CAN 总线上即可，由于它能够有效的抑制 E

10、SD 脉冲及各种噪声干扰， 可确保 CAN 总线在遭受严重干扰时控制器仍可以正常工作，这对于具有各种强烈干扰源的 船用设备来说，是比较合适的选择。考虑系统的安全性,CAN 接口采用冗余设计。当正常通道发生故障,可自动调用冗余通道 进行传输。如果冗余通道也发生故障,则进入故障处理。为了减小现场对节点的干扰，CAN 总线的连接介质采用屏蔽双绞线.本设计中，LPC2294 既作为主控制器，还作为 CAN 网络的节点控制器，与网络中的其他节点实现数据传输，同 时还作为模拟量及开关量的数据采集器。图 2 CAN 接口硬件原理图2.2.2 以太网接口部分网卡控制器采用台湾 RETACK 公司的 10Mbp

11、s 以太网控制芯片 RTL8019。RTL8019 支 持全双工工作模式,软件兼容 8 位或 16 位的 NE2000 模式;内部集成 DMA 控制器、ISA 总线 控制器以及 16KBRAM、网络 PHY 收发器等。其与 LPC2292 的连接如图 2 所示。RTL8019 使用 LPC2292 外部存储控制的 BANK3 部分,其数据地址范围为:0x834000000x8340001F。 RTL8019 的工作电压为+5V,而 LPC2292 的引脚工作电压为 3.3V,所以还应在连接线上串联470 的保护电阻。网络传输线采用双绞线。通过以太网接口部分可以方便的与上位进行通讯， 远程操作人

12、员可以实时监控主机的运行情况。3. 智能控制器的软件设计图 3 以太网接口原理图软件部分主要由数据采集程序和 CAN 总线通信程序两部分组成。数据采集程序主要负责 8 路模拟量及 8 路开关量的数据采集。CAN 总线通信程序主要由初始化 CAN 控制器函数Init CAN（）、CAN 发送数据函数 CAN Send Data（）、CAN 接收数据函数 Read CAN Data（）及 CAN 中断处理函数 CAN IntiPrg（）组成。其通讯任务设计如下：CAN 总线控制器 初始化主要进行硬件使能和配置引脚的连接、通信波特率的设定、CAN 工作模式的配置、 验收过滤器的配置等5。CAN 总线

13、数据发送处于下位机的 CAN 节点的发送情况如下：（1）线路正常的时候，按照操作要求选择机旁，集控或是驾控控制，通过网络接口定 时向上位机传送实时控制状态下的主机运行数据。数据帧每帧长度为八个字节，本设计用四 个数据帧来组成一个参数传递帧。（2）线路故障的时候要以中断的形式向上位机发送故障时刻的数据，例如：主机滑油 压力低或淡水温度高，主机超速、主机滑油压力过低等。故障时刻的记录用到了 LPC2292 的 RTC 模块。数据帧结构如表 1 所示。表 1 故障时上传数据帧结构字节12345678第一帧滑油压力低时间保留第二帧淡水温度高时间保留.第 N 帧.时间保留（3）接收到上位机发出的远程帧（

14、远程帧不存储在数据场）后，立即寻找索要时刻索要地址里的参数值，以数据帧的形式回发给上位机。将待发送的参数值按照 CAN 协议的帧格 式进行封装，写入空闲发送缓冲区，启动发送命令即可。CAN 总线数据接收下位机都是以中断形式接收来自上位机的控制命令以及参数。当 CAN 控制器出现内部中断时，先识别中断寄存器的 RI 位，判断是否为接收中断，然后读取 缓冲区内容。在程序中，建立了一个环形缓冲结构来避免接收数据不能及时处理所造成的数 据丢失。4. 结束语本文进行了基于 CAN 总线主机遥控系统智能控制器的硬件设计和软件编程，并对 CAN总线硬件抗干扰设计方面的进行了探讨，在实验调试过程中，运行状况良

15、好，工作稳定。参考文献1 李垣江，王建华，刘维亭. 基于总线控制的船舶柴油机监控系统J. 船海工程, 2003.62 Holt G. Recent Development of Electronic Governor J. Transactions of the Institution of Diesel and GasTurbine Engineers, Apr, 19863 高红玉. 基于 ARM 的 CAN 总线智能节点的设计J. 电子技术应用, 2005, (4): 24-264 周立功. ARM 嵌入式系统基础教程M. 北京: 北京航空航天大学出版社, 20055 周立功. ARM

16、嵌入式系统实验教程（三）-扩展实验M. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2005Design of CAN Bus Intelligent Controller on the Basis ofARM and CAN BusHong Yigen, Li ZhihongWu Han University of Science and Technology, Wuhan (430063)AbstractOn the basis of ARM and CAN bus，the paper puts forward design of CAN bus intelligent controllerwhic

17、h based on ARM 7single-chip LPC 2292. Given the hardware and software design of CAN interface module and ethernet interface module. Controlling and communicating with control-box, signal plate, gear case and black box with CAN interface module. Monitor the situation of marine engine by ethernet interface module. And discuss the anti-jamming hardware measures. The intelligent controller work stably in test.Keywords: ARM; CAN bus; Ethernet; intelligent controller作者简介：洪毅根，武汉理工大学自动化学院研究生,控制理论与控制工程。