基于TM320F2812数字信号处理器实现多组分气体分析平台的构建

引言

现代流程工业中，多组分分析仪器成为必不可少的环节。常用的在线分析仪器有工业色谱仪、光谱分析仪等。工业色谱仪在流程工业生产和环保领域得到广泛应用，但是其分析周期长，不易实现直接质量控制；拉曼光谱分析仪分析周期短精度高，但是成本太高，所以尚未被推广。因此，实验室研制开发了基于８０Ｃ１９６和ＤＳＰ的多组分气体分析平台，通过不同传感器的组合对样品中不同组分进行检测，实现了分析周期短、精度高，成本低等目标的统一。由于每台组合式分析仪器一般只能分析２－４个组分，为了实现更多组分的测量，同时实现各个分析仪器之间或分析仪器与上位机之间信息的交互，这就有必要构建基于多组分气体分析平台的CAN总线网络。

ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）是国际上应用最广泛的现场总线之一，使用了一种串行多控制方通信协议，可以有效地支持分布式实时控制，并且具有很高的安全性和高达１Ｍｂｐｓ的通信速率。由于ＣＡＮ具有多主站控制、无破坏性总线仲裁、可靠的检错和重发机制以及故障节点的判断和自动脱离等等显著优点，在富含噪声和其他要求苛刻的环境中得到越来越广泛的应用，而且其应用领域也在不断的扩大。

１、分析仪器网络结构

多组分气体分析平台基于过程分析仪器系统的物流和信息两通道所需的基本共性功能，系统采用模块化设计。各硬件模块具有独立结构，可适应不同分析传感器及其组合以及预处理装置的选择要求；软件系统则为检测信号的数据处理、仪器的自动诊断、自动标定的 *** 作控制以及为与ＤＣＳ间的信息通信提供支持。

分析平台采用ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２作为处理器。ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２是ＴＩ公司推出的一款用于控制领域的高性能３２位数字信号处理器，适用于实时数据处理，并集成了丰富的外设，如片上１２位模数转换器（ＡＤＣ）、ＳＰＩ、ｅＣＡＮ等功能模块，可以方便地进行功能扩展。平台由数据采集模块、控制模块、开关量输入输出模块、人机交互模块以及通讯接口组成。

根据现场情况，通过不同传感器的组合对样品中不同组分进行检测，配合相应的软件实现不同的数据处理方法，构成组合式分析仪器，每台分析仪器可检测２－４个组分。此处我们以两台分析仪器为例，每台能检测两个组分，一台检测ＣＯ２和Ｏ２，另一台检测ＳＯ２和ＣＯ，与上位机一起构建ＣＡＮ通信网络。

ＣＡＮ网络系统一般由上位机、ＣＡＮ适配卡、若干节点以及ＣＡＮ总线构成。由于ＰＣ机上有多条扩展槽，利用局域网络通信卡，使得该系统很容易与其他生产管理部门联网，便于统一调度和管理；另外，选用ＰＣ机还可以充分利用现有的软件工具和开发环境，方便快捷地设计功能丰富的计算机软件，所以此处上位机我们选用通用ＰＣ机。

ＣＡＮ适配卡我们选用的是北京科日新工控的ＫＰＣＩ－８１１０光隔非智能ＣＡＮ总线通讯卡，符合ＩＳＯ／ＩＳＯ１１８９８国际标准，满足２．０Ｂ（ＰｅｌｉＣＡＮ）兼容ＣＡＮ２．０Ａ通信协议，通讯距离最长达１０ｋｍ，传输速率最高达１Ｍｂｐｓ。基于多组分气体分析平台的组合式分析仪器做为ＣＡＮ智能节点。总线上的信息传输遵守ＣＡＮ通信协议，通信介质采用双绞线即可。

系统总体结构图如下所示：

２、ＣＡＮ总线通信协议

ＣＡＮ技术规范版本２．０包括两部分内容：版本２．０Ａ描述ＣＡＮ技术规范１．２中定义的ＣＡＮ报文格式；版本２．０Ｂ描述标准和扩展格式两种报文格式。为了同ＣＡＮ技术规范２．０兼容，要求ＣＡＮ执行既同版本２．０Ａ，也同版本２．０Ｂ兼容。

鉴于我们目前所要传输的内容仅限于检测结果，同时考虑到现场需要网络中可能连接的智能节点的个数，采用标准报文格式完全能够满足我们的要求。

ＣＡＮ技术规范版本２．０Ｂ中，数据帧由７个不同的位场组成：即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、ＣＲＣ场、应答场、帧结束。数据帧格式如下所示：

分析仪器主控制器Ｆ２８１２　ＤＳＰ片上共有３２个邮箱，在ＳＣＣ模式下０－１５邮箱可用，在ｅＣＡＮ模式下，３２个邮箱全部可用，而且与２４０７不同的是，Ｆ２８１２可以发送和存储包括报文ＩＤ在内的所有帧信息。所以我们只需对标准标识符的位进行分配，而不用定义数据字节，即可满足上位机和主节点识别帧来源和帧意义的要求。对标准标识符的分配如下表所示：

３、通信程序设计

若想实现ＣＡＮ网络的正常通信，必须保证各通信节点的波特率和标识符都定义得一致。由于ＫＰＣＩ－８１１０使用独立的ＣＡＮ控制器ＳＪＡ１０００，而智能节点多组分气体分析平台中使用微处理器ＤＳＰ中内置的ＣＡＮ控制器，各自寄存器的定义和分配不尽相同，所以数据帧格式的定义方法也不一样，在编写初始化和通信程序时要特别注意寄存器的定义和分配。

３．１智能节点端

为了实现各个节点信息的同步，考虑把智能节点中的一个做为主节点，其他节点做为从节点。主节点先收集所有从节点的数据，再把所有的数据一起发送给上位机。

做为ＣＡＮ网络的智能节点，组合式分析仪器采用内置了ＣＡＮ模块的Ｆ２８１２做为微处理器，从硬件上来讲，外接一个ＣＡＮ收发器就可以方便地挂接到ＣＡＮ总线上，从软件设计上来讲，由于Ｆ２８１２强大的寄存器功能，也可以很容易地实现ＣＡＮ模块的初始化以及信息的发送和接收。

智能节点的编程采用Ｃ语言与汇编语言相结合的方式，采用结构化程序设计方案，可读可移植性好。流程如图３所示。程序设计的重点在于ＣＡＮ模块的初始化和中断程序的调用。

智能节点端ＣＡＮ模块初始化（流程图如图４所示［４］）主要包括三个方面的内容：波特率的配置、邮箱分配（包括邮箱方向、标识符分配等）、中断寄存器初始化。波特率和标识符的分配非常重要，是ＣＡＮ网络通信成功的关键所在。Ｆ２８１２内置ＣＡＮ控制器使用位时序配置寄存器ＣＡＮＢＴＣ中的ＢＲＰ、ＴＳＥＧ１和ＴＳＥＧ２来设置波特率，计算公式为：ＳＹＳＣＬＫ／（ＢＲＰ＋１）×［（ＴＳＥＧ１ｒｅｇ＋１）＋（ＴＳＥＧ２ｒｅｇ＋１）＋１］，此处我们采用的晶振频率为３０ＭＨＺ，系统倍频为１／２，ＢＲＰ＝９，ＴＳＥＧ１＝１０，ＴＳＥＧ２＝２，因此波特率为１００Ｋｂｐｓ。标识符就根据表１的描述来确定。

中断程序中主要对从节点传送的数据进行处理，然后转存到主节点的发送邮箱中，等待发送给上位机。在进行数据处理的时候要把接收邮箱中的数据赋给中间变量，处理完后再把中间变量的值赋给发送邮箱，这个过程中要注意借助指针来完成。如下所示：

Ｍａｉｌｂｏｘ　＝　＆ＥＣａｎａＭｂｏｘｅｓ．ＭＢＯＸ０　＋　ｎ；　　　／／　ｎ为邮箱号

ｒｅｃｅｉｖｅｂｏｘｌ　＝　Ｍａｉｌｂｏｘ－＞ＭＤＲＬ．ａｌｌ；

ｒｅｃｅｉｖｅｂｏｘｈ　＝　Ｍａｉｌｂｏｘ－＞ＭＤＲＨ．ａｌｌ；

３．２上位机端

ＰＣ机端主要完成对各分析平台分析结果的采集、处理，采用适合快速开发的面向对象高级语言ＶＢ来编写。ＫＰＣＩ－８１１０ＣＡＮ适配卡提供．ｄｌｌ驱动和．ｌｉｂ库函数，通过在ＶＢ程序中调用相关的驱动函数就可以实现ＣＡＮ适配卡的配置和数据的读写。数据的处理主要完成对各组分检测结果中干扰背景气的去除以及单位换算等工作。

上位机在接收主节点传送过来的数据时，在ＳＪＡ１０００　ＣＡＮ控制器采用单滤波器模式，只接收在界面中输入的组分的数据。滤波规则为：验收代码位（ＡＣＲ．７－ＡＣＲ．０）和信息识别码（标识符）的高８位（ＩＤ．１０－ＩＤ．３）相等，且与验收屏蔽位（ＡＭＲ．７－ＡＭＲ．０）的相应位相或为１［５］。例如，在上位机接收界面中输入组分名“ｃｏ２”，运行程序时就会把“ｃｏ２”对应的一组验收代码值和验收屏蔽值初始化为验收滤波器的预设值。为了具有通用性，把验收屏蔽码设为ＡＣＲ　ｘｏｒ　＆ＨＦＦ。

由于ＳＪＡ１０００ＣＡＮ控制器每个地址存储８位的数据，而Ｆ２８１２内置ＣＡＮ控制器每个地址存储１６位的数据而且标准数据帧的标识符也不是从字节的起始位开始的，所以定义标识符的时候要按照不同控制器的要求来定义。例如Ｆ２８１２内置ＣＡＮ控制器定义数据帧标识符为１１４４　００００（ｂｉｔ２８－ｂｉｔ１８为标识符位），ＳＪＡ１０００独立控制器对应的标识符应为８Ａ２０（ｂｉｔ１５－ｂｉｔ５为标识符位）。．

下图为自己开发的接收界面成功接收到数据：

４、结论

该通信系统在试验中得到了良好的效果，满足了多组分分析仪器的设计要求。数字化在线分析仪器作为网络神经元，有机地融入网络系统，实现信息实时传输、远程故障诊断是分析仪器的发展趋势，也是工业化和信息化的发展趋势。

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