基于CAN總線的嵌入式設備狀態監測平臺設計

引言

實驗室中關鍵設備的信息需要及時采集、反饋到主控室中，又因為設備類型多，促使設計者開發主節點、從節點的結構，總線通信的監測平臺。同時，平臺的用戶界面需具有二次開發能力。因此，本文設計了一種設備狀態監測平臺。

本文設計的系統硬件基于STM32F103芯片，是基于ARM的Cortex—M3架構，其外設單元資源豐富，能夠達到系統需求的性能指標。配備了一塊4.3寸TFT顯示、觸摸屏，可直觀地顯示與操作，體現了與用戶的互動。

1 硬件架構

以STM32F103為主控芯片，主要包含了5個外圍電路模塊：實時時鐘、模數處理、數據存儲、數據傳輸和界面顯示。模數處理是A/D模塊加預處理電路，數據存儲采用一片2 MB SPI Flash，數據傳輸采用CAN接口和RS232接口，顯示屏是4.3寸。如圖1所示，為設備的硬件架構圖。

系統采用的STM32F103是ST公司推出的基于Cortex—M3內核的32位ARM芯片系列。本系統選用的STM32F103ZET6屬于該系列的高容量芯片，片內Flash容量為512 KB，片內SRAM容量為64 KB，主頻為72MHz。具備完整的FSMC總線、26位地址線和16位數據寬度。系統的顯示屏為翰彩4.3寸TFT液晶屏，分辨率為640×480，貼一塊電阻式觸摸屏。顯示屏驅動模塊是SSD1963，采用了16位(5位紅色、6位綠色、5位藍色)64K接口模式，由FSMC數據接口連接控制。觸摸屏芯片為ADS7843，它輸入觸摸屏四路電壓，用SPI通信輸出觸摸點位置信息。圖2是LCD接口電路。

CAN總線協議的高可靠性使其在工業上得到廣泛應用。STM32F103的CAN總線單元支持協議2.0A和2.0B;選用的CAN收發器是TJA1050，在CAN協議控制器和物理總線之間起到接口作用，設計120 Ω的終端匹配電阻以適應不同的CAN總線網絡。CAN模塊的接口電路如圖3所示。

2 軟件設計

2.1 整體架構

嵌入式系統設計的第一步在于清晰地劃分任務，設定優先級，根據任務的執行情況調度系統資源。如圖4所示，μC/OS是系統的總調度，之上有6個主要的任務，它們分別對應硬件架構中的模塊，運行整個程序。

每個任務分配不同的優先級和啟動方式，有周期性啟動、信號量驅動兩種方式。顯示功能由μCGUI驅動，FAT32文件由FatFs管理。任務劃分及資源如表1所列。

劃分任務之后，先實現板級支持包，再對通信協議進行設計，然后繪制整個μCGUI的界面。

2.2 板級支持包

板級支持包是指在單板上實現全部基礎功能，例如時鐘管理、掉電備份、串口、CAN總線通信、A/D采樣以及顯示任務的fsmc接口、驅動優盤的SPI接口等。利用ST公司提供的標準化庫函數，調用庫函數進行初始化，配置模塊參數，在使用時根據需要調用函數或在中斷進行，完成后封裝成一個Lib庫文件使用。

在系統中斷里設置：①CAN中斷，用于快速反映CAN口信息;②USART接收中斷，用于接收串口信息;③RTC中斷，用于實時時鐘中斷;④USB有兩個中斷，用于USB端口的收發設置。板級支持包的函數如圖5所示。

全系統的參數如下：A/D總線模塊采樣率為1 kHz，最高為5 kHz，通道數8個，可以拓展到16通道。串口速率為115 200，數據位為8位，無校驗。CAN用CAN-1口，設置為500 kbps、250 kbps、100kbps、50 kbps的4檔速率，擴展ID形式。

初始化單板需進行時鐘校正，存儲正確的時間。單板掉電之后用電池工作，存入備份寄存器，上電再取時間參數(即秒的數量)，換算成對應的日期和時間。顯示模塊采用FSMC并行接口控制，實現在屏幕上畫出單個點、單條直線等基本繪圖功能，就能提供接口給μC總線GUI使用。

2.3 CAN總線通信協議

本設計采用CAN總線協議，用狀態機進行狀態轉換，在具體的指令驅動下實現從握手到傳輸數據的過程。圖6是CAN總線通信的狀態機。

CAN總線通信指令是英文單詞縮寫用ASCII碼表示的結果。在本設計中，有一個主節點和3個從節點。主節點和從節點對應的指令應答方式如圖7所示。初始化時，主節點在發出“TEST”指令后，從節點回復“ALOK”，表示從節點收到指令，工作正常。1號和2號從節點負責測量溫度、濕度和壓力。主節點發送“NEED”指令，從節點1號和2號回復溫度、濕度數值給主節點，格式是對應的“指令+數據”。主節點根據ID與指令，判斷數據正確性，及時顯示在屏幕上。

采樣時，主節點在指令的驅動下，切換不同狀態。主節點發送預備指令，確認從節點準備好之后，再發出采樣開始的“SMPL”命令，從節點收到指令后，啟動采樣，完成后回復“GOGO”指令。從節點在采樣結束后再回復，是為了減少采樣啟動的延時。主節點進入接收數據的狀態，發送傳輸數據指令“DATA”，從節點先用“LENS”指令告訴主節點，本次采樣長度是多少，便于主節點在接收數據的時候統計，是否接收到了數量正確的數據。從節點開始發送數據，最后發送“ENDD”指令，告訴主節點數據傳送結束。主節點的數據標識清空，回到初始狀態。這樣完成了一輪數據采樣、發送過程。