引言
    隨著人們對啤酒品質的要求越來越高,傳統的生產操作或控制方式已不再適應當今的生產規模和生產要求,發酵過程作為啤酒生產過程中至關重要的一環,其控制系統則尤其重要。CAN總線具有結構簡單、通信方式靈活、錯誤檢驗處理等特點尤其基于優先權的無破壞性總線仲裁技術,特別適合工業過程監控設備的互聯。因此,針對當前啤酒企業的設備現狀和生產需要,本文將介紹一種采用CAN總線技術進行通信的啤酒發酵分布式控制系統。

圖1  現場智能節點結構框圖

圖2  智能節點CAN總線接口電路

圖3 節點查詢發送(左)和中斷接收(右)流程

　圖4  智能適配器USB—CAN硬件原理電路

控制系統總體結構
    基于CAN總線的啤酒發酵分布式控制系統由現場智能節點、監控計算機和CAN控制網絡3部分構成。
   現場智能節點是直接面向生產過程的,主要功能是采集現場發酵罐的各處溫度和壓力值,按照一定的控制算法對溫度和壓力控制回路中的執行器進行控制操作,將現場發酵罐的運行狀態信息通過CAN總線通信網絡送至監控機,并實時處理監控機下傳的各種命令等。
監控計算機由一臺PC機構成,另外還有一臺PC機作為熱備份機,一旦某臺發生故障,另一臺能立即啟動,保證控制系統的可靠性。監控計算機的主要功能是：對各現場智能節點的運行參數進行設置;通過現場總線網絡實時獲取現場智能節點的數據;監測系統異常,并根據故障信息立即發出相應的聲光報警信號;以友好的圖形界面直觀指示當前各發酵罐的運行狀況及參數信息;實現數據庫管理,分類管理保存各發酵罐的運行數據,為優化工藝提供數據資料等。
   CAN控制網絡部分主要由智能CAN-PC總線適配器、通信介質、接口電路及相應的通信軟件組成。該系統的CAN-PC總線適配器為智能通信適配器USB-CAN,它能方便的實現監控計算機與CAN總線之間的連接,高速地完成用戶復雜的通信任務。通信介質為雙絞線,負載連接在CAN-H和CAN-L之間,為了抑制信號反射,終端接有阻抗值約120?的匹配阻抗。

現場智能節點設計
   本系統中CAN總線接口電路主要在現場智能節點部分實現,為了深入說明CAN總線在啤酒發酵過程控制中的應用,下面介紹現場智能節點的總體設計,并給出實現CAN通信的硬件電路和軟件流程圖。
現場智能節點總體結構
   如前所述,啤酒發酵過程控制系統中現場智能節點完成現場數據采集和處理、罐體上各執行器的控制、智能節點與監控計算機之間的通信等主要工作,監控計算機只是完成狀態監測、報警、智能節點運行參數修改等工作,因此現場智能節點的設計是整個系統的關鍵部分。每個現場智能節點控制一圓柱錐底形發酵罐,其結構框圖如圖1所示。
考慮到可靠性、性價比等因素,現場智能節點CPU采用MCS-51系列單片機AT89C52。智能節點設計采用結構化設計方法,包括三大部分：CAN總線接口部分,CPU、看門狗電路、電源管理及總線地址譯碼部分,I/O接口部分。其中,I/O接口部分主要完成現場數據顯示與鍵盤輸入、現場信號的A/D采集和執行器的控制輸出等工作。

現場智能節點CAN
接口電路設計
現場智能節點的設計中,CAN總線網絡接口部分使用了Philips公司的CAN控制器芯片SJA1000和CAN總線收發器PCA82C250芯片。為了增強現場智能節點的抗干擾能力,總線收發器與控制器之間用高速光耦6N137隔離,接口電路如圖2所示。
為了保證SJA1000與AT89C52之間時鐘同步,本設計采用CLKOUT時鐘信號作為AT89C52的時鐘輸入;SJA1000的接AT89C52的端,通過中斷方式與CPU通信;PCA82C250的RS腳上接有一斜率電阻,電阻大小(16~140K?)可根據總線通信速率適當調整,本設計中取值47K?;PC82C250的兩輸出引腳與CAN總線之間各接一個5?的電阻,起一定的限流作用,從而保護PCA82C250免受過流的沖擊;為了濾除總線上的高頻干擾并具有一定的防電磁輻射的能力,CAN-H和CAN-L與地之間并聯了兩個30pF的電容。
現場智能節點CAN
通信軟件設計
現場智能節點的CAN通信軟件設計由三大部分組成：SJA1000初始化、數據接收和發送。節點的主程序完成對SJA1000的初始化,開放SJA1000的中斷,控制整個發酵過程,并主動向監控計算機傳送發酵罐的狀態信息。
對SJA1000的初始化主要是設置CAN的通信參數,如設置模式寄存儲器等。本設計中數據發送是主動的,因而對發送的處理比較簡單,主程序采用查詢SJA1000的狀態標識符的方法,只須把被發送的信息幀送到CAN的發送緩沖區,并啟動發送命令即可。為了保證系統的實時性,數據接收是通過SJA1000的中斷控制來實現的,在ISR中從接收緩沖區讀取要接收的信息,同時還要對出錯和數據溢出中斷作相應判斷處理。發送接收流程圖如圖3所示。

智能通信適配器
USB-CAN設計
系統中為了實現上位監控PC機與下位現場智能節點間通信,必須要有一通信適配器來實現CAN總線與PC總線之間的通信協議轉換功能。傳統的網絡適配器設計中與PC機的通信接口多為ISA總線、RS-232等,雖然它們實現較簡單,可由于帶寬的限制,不能滿足高速傳輸的需要;而對于流行的PCI總線雖功能強大,可協議復雜,開發周期較長,不支持熱插拔且價格昂貴。USB總線具有安裝方便、高帶寬、可靠性高等特點,因此本系統采用了自主開發的智能通信適配器USB-CAN來實現本系統CAN網絡與PC機間的通信。
智能適配器
USB-CAN硬件電路設計
適配器硬件電路由三部分組成：CAN總線接口部分、USB總線接口部分、CPU及電源管理部分。CAN總線接口部分的設計與智能節點CAN接口幾乎相同。CPU采用Philips公司的增強型MCS-51兼容單片機P89C51RD2,內置看門狗,時鐘輸出可編程,在6時鐘模式下工作速度為標準C51單片機的兩倍。USB總線接口部分采用Philips公司的PDIUSBD12芯片,其符合USB1.1版本規范,可與任何外部微控制器/微處理器實現高速并行接口。硬件電路如圖4所示。
為了保證P89C51RD2、PDIUSBD12和SJA1000三者間時鐘同步,外接12MHz晶振的CPU運行于6時鐘模式下,P1.0引腳通過編程輸出6MHz方波作為PDIUSBD12的輸入時鐘,再通過PDIUSBD12的設置模式寄存器編程使CLKOUT引腳產生24MHz的輸出時鐘來提供給SJA1000。PDIUSBD12的INT-N接CPU的端,通過中斷方式與CPU通信; SUSPEND引腳接CPU的P1.4端,用以向CPU指示器件是否掛起;D+引腳信號通過軟連接接1.5K?的內部上拉電阻,向主機表示為高速設備;為確定USB電纜是否與主機連接,采用EOT-N引腳檢測USB接口的VBUS電壓來實現;由于采用多路地址/數據總線配置,故A0接高平;此外,D+和D-兩引腳各接18?電阻,起到一定的限流作用,以保護PDIUSBD12免受過流的沖擊。
智能適配器
USB-CAN軟件設計
智能通信適配器USB-CAN的軟件即USB固件主要完成兩方面任務：響應來自主機的配置請求,完成對USB外設的列舉操作;負責接收主機的命令并發送給CAN總線上的節點,以及接收各節點的數據并經USB總線傳送給PC。
USB固件包括主程序、外部中斷0子程序和外部中斷1子程序。在主程序中主要完成SJA1000和PDIUSBD12的初始化操作并開放中斷;外部中斷0子程序處理CAN總線上事件,與智能節點對CAN總線的處理情況類似;外部中斷1子程序處理USB總線上的事件。
從整個監控系統角度來看,軟件設計還包括USB設備的驅動程序和應用程序等,限于篇幅,在此不作闡述。

結語
具有獨特的設計思想、卓越的性能和極高的可靠性的CAN總線被公認為是最有前途的現場總線之一。基于CAN總線的啤酒發酵監控系統具有可維護性好、易于擴充、可靠性高和成本低等特點,非常適合當今啤酒企業生產發展現況。