基于PowerPC的CAN总线通信系统怎么设计？

嵌入式数据采集与监测平台主要完成数据采集、数据处理与分析、网络通信等功能，对外提供数据采集接口、网络通信接口和人机交互接口。同时，该平台也集成了嵌入式Web服务器和嵌入式实时数据库。

庄雪昕

2019-9-2 15:52:12

嵌入式数据采集与监测平台的设计与开发主要基于PowerPC的CAN总线通信系统、ARM的Modbus协议通信系统、ARM的InterBus现场总线通信系统、ARM的远程I／0数据采集系统、嵌入式MCU的通信协议转换器、Zigbee技术的无线远程监测系统。而广泛应用于电厂和输配电系统的是PowerPC的CAN总线通信系统和ARM的远程I／O数据采集系统。

一、基于PowerPC的CAN总线通信系统设计与开发

基于PowerPC的嵌入式系统硬件平台设计

基于PowerPC和CAN总线的嵌入式数据采集监测系统在硬件方面选择以飞思卡尔MPC8248处理器为核心的开发板构建硬件平台。

(1)MF~C8248嵌入式处理器简介

MPC8248是基于飞思卡尔PowerQUICCⅡ技术的高端双核芯片。一个处理器是嵌入的G2_LE内核，另一个是专门的RISC的通信处理模块CPM。MPC8248的功能结构框图见图1。

(2)基于EP8248E开发板的系统硬件平台架构

为了缩短开发周期并提高开发效率，选用基于MPC8248的嵌入式开发板EP8248E作为基本硬件平台。这样可以节省大量的硬件开发工作。

除了基于MPC8248的嵌入式开发板EP8248E基本硬件平台，该系统的数据采集要求可以支持多种通信方式。但开发板没有某些通信方式的硬件支持，这就需要我们通过设计来实现。一般来说，有两种方式：一种是在开发板中直接扩展硬件接口设备，由开发板中的微处理器直接控制；另一种是独立设计接口板，使之与主开发板连接，由接口板上微处理器来实现通信转发。

图2为基于PowerPC的硬件接口结构图。由于PowerPC处理器上需要加载嵌入式Linux操作系统，且考虑应用程序较大，需要扩展程序存储器和FIash来存储程序及数据。EElDROM用来存储用户的组态配置信息。通过扩展以太网接口、RS-232／485、(CAN总线通信接口，将各类监测数据采集到PowerPC处理器。并进行响应的分析处理后通过以太网远程传输到上位DAS、DCS等系统进行进一步的分析处理与存储等。

基于PowerPC的嵌入式系统软件设计

作为嵌入式系统极为重要的组成部分，嵌入式操作系统通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。

(1)嵌入式Linux操作系统及其移植

嵌入式Linux操作系统最大的特点是源代码公开并且遵循GPL协议，人们可以任意修改以满足自己的应用，并且查错也很容易。选择Linux不仅因为其经济性，同时，PowetPC是Linux较早支持的芯片之一。Linux在嵌入式PowetPC芯片上已经有了许多成功的应用案例。

嵌入式Linux操作系统的移植包括Bootloader的移植、Linux内核裁剪移植以及根文件系统配置等。一般来说，嵌入式Linux系统的大小可以控制在3MB以内，而系统硬件平台EP8248E有8MB的Flash和16MB的SDRAM，有足够的存储空间来满足嵌入式Linux系统的应用要求。在EP8248E系统中，对于嵌入式Linux系统，采用的是通过内核源代码重新配置和裁减的方法，删除不用的功能和操作，减小系统体积，并移植到EP8248开发板所带

的Flash中去。

为了使Linux更加灵活，保证内核的独立性，Linux内核已经不再包括Bootloader代码。在MPC8248开发板的Support CD中附有支持嵌入式PowerPC的Bootloader程序。它具有众多强大的功能，支持TFTP、NFS等多种协议，可以从网络引导Linux，并且包含了测试硬件等多种功能。

Linux内核是可配置的，它既可以配置为大型服务器服务的内核，也可以配置为嵌入式环境下运行的精简内核，这也是Linux的精妙之处。

在嵌入式系统中，没有桌面系统和服务器系统中常见的许多设备，如：IDE、SCCS、硬盘、光驱、键盘、鼠标等。在配置内核时，应该注意去除这些设备选项。通常用户的再发板都不在Linux内核支持的范围内，所以要修改Linux内核使它适合自己的开发板。如果以相近的开发板为蓝本，修改口核源码以适合EP8248E的移植，需要做很多工作。在EP8248E BSP，安装文件夹下有-linuxp-pc_2_4_devel文件夹，它是针对嵌入式PowerPC开发的Linux内核，包括对多种PowerPC开发板的支持。这就意味着我们不再需要修改Linux内核代码，就可以直接配置Linux 内核。

一个Linux系统除了内核外，还必须有一个根文件系统Rootfs，里面包括Linux的第一个进程lnit，用户交互的SheⅡ以及其他文件系统、网络系统的工具等等。经过前面的工作，我们成功地将嵌入式Linux移植到开发板EP8248E上了。Linux加载运行之后，将启动Linux SheⅡ．

用户通过它可以和Linux进行交互。

(2)嵌入式软件功能模块设计

嵌入式Linux操作系统之上的应用层软件设计遵循模块化设计。图3为系统软件模块结构图，主要分为通信驱动层、数据处理层和网络接口层三个层次。通信驱动层主要实现各种工业通信协议，如Modbus、CAN、TCP／IP等。数据处理层是整个软件开发的核心，包括数据采集模块、数据过滤模块、数据存储模块、数据处理模块、组态模块和嵌入式Web服务器等。其中，嵌入式Web服务器可实现将Java Applet通信控件植入Web网页，在用户访问Web服务器英国威廉希尔公司网站时，这个控件会通过HTTP协议自动下载到客户端并与Socket服务器模块进行连接，从而实现现场与远程客户端的数据交互。报警模块在Web网页实现报警功能，提示工作人员各设备运行状态变化，防止事故的发生。Web定制模块对Web服务器进行一些功能定制，如用户登录验证功能、用户权限设置功能等，从而使系统更安全、稳定。网络接口层主要实现嵌入式PowerPC系统通过TCP／IP协议与上位DCS、DAS等监控系统的数据传输．

张健

2019-9-2 15:52:23

二、基于ARM的远程I／O数据采集系统设计以及开发系统结构设计

基于嵌入式ARM的远程I／O数据采集系统硬件平台采用32位ARM嵌入式微处理器LPC2132，软件平台采用源码公开、可移植、可裁剪、可固化的多任务实时操作系统μC／0S—Il内核。实时操作系统RTOS的使用使得应用程序的设计和扩展变得很容易，不需要大的改动就可以增加新的功能。通过将应用程序分割成若干独立任务，RTOS大大简化了应用程序的设计过程。

系统配备电源、键盘、复位、LCD显示、ADC、RS485、以太网、JTAG、12C、E2PROM等外围设备。A／D接口威廉希尔官方网站和嵌入式系统威廉希尔官方网站分别采用独立模块，利于系统维护、升级。系统自带设置按键和128×64 LCD液晶显示，便于现场调试和参数修改。同时，也可以采用Modbus／RTU或Modbus/TCP通信协议，通过RS485或以太网通信方式将采集数据传送到上位DAS、DCS等系统，由上位系统做统一处理后，用于设备参数监测及作为设备控制的依据。系统具有双网冗余远程通信功能，以提高通信网络的抗干扰能力和可靠性。

系统软件设计与实现

(1)系统软件功能设计

采集系统的软件平台采用源码公开、可移植、可裁剪、可固化的抢占式实时多任务操作系统μC／OS—Ⅱ。实时操作系统RTOS中最关键的部分是实时多任务内核——μC／OS—Ⅱ实时多任务内核。其基本功能包括任务管理、资源管理、系统管理、定时器管理、存储器管理、时间管理、消息管理、队列管理等。这些管理功能是通过内核服务函数形式交给用户调用的，也就是RTOS的APi函数。

μC／OS—Ⅱ实时操作系统内核简化了应用系统的设计，使整个系统结构简洁，使复杂的应用程序层次化。整个系统设计由操作系统和一系列用户应用任务构成，使应用程序更容易设计与维护。系统主函数是首先执行的一个函数，主要实现系统硬件和操作系统的初始化。硬件初始化包括中断、键盘、显示等；操作系统初始化包括任务控制块和事件控制块的初始化，而且在启动多任务调度之前，必须创建至少一个任务。在此系统中创建了一个启动任务，主要负责时钟的初始化和启动，中断的启动，通信任务模十央的初始化、启动以及任务的划分等。要完成系统实时多任务的各种功能，必须对任务进行划分。

系统应用程序根据各个任务的重要性和实时性，把程序分成六个具有不同优先级的任务，它们是系统监控任务、A/D数据采样任务、接收队列监视任务、数据发送任务、键盘输入任务、LCD显示任务。其中A/D数据采样任务实时性要求最高，LCD显示任务实时性要求最低。各个任务具有不同的优先级，通过调用系统挂起函数或延时函数，可以启动具有更高优先级的任务。在设计中，通过对延时参数的设置，系统每隔一定的时钟节拍，就启动接收队列监视任务，定期扫描环形缓冲区。一旦发现读指针与写指针不相等时，就将环形缓冲区中新接收到的数据存入丁EMPBUF中，同时发送信号量SerldSem。数据发送任务接收到信号量，启动运行，完成数据发送功能。

(2)A／D转换程序设计与实现

应用程序A/D转换是数据采集系统的重要组成部分。在μC／OS—Ⅱ实时操作系统内核下，A／D驱动程序的实现过程主要取决于A／D转换器的转换时间、模拟值的转换频率、输入通道数等。典型的A／D转换威廉希尔官方网站由模拟多路复用器(MUX)、放大器和模数转换器(ADC)三部分组成。图4所示为应用程序调用驱动程序图。驱动程序通过MUX选择要读取的模拟

通道①，延时几微妙以便使信号通过MUX传递，并使之稳定下来。接着，ADC被触发开始转换②。然后驱动程序在一个软件循环中等待③，直到完成转换。在循环等待时，驱动程序检测ADC的状态信号。如果等待时间超过设定的软件定时值，则结束等待循环。如果在循环等待中，检测到ADC发出转换结束的信号时，驱动程序读取ADC转换的结果④，并将结果返回到应用程序⑤。

(3)串口通信程序设计

由于串行设备存在外设处理速度和CPU速度不匹配的问题，所以需要一个缓冲区。LPC2132芯片的异步串口带有16字节接收和发送FIFO。在实际应用中，需要从内存中开辟两个缓冲区，分别为接收缓冲区和发送缓冲区。

串口的操作模式如下：用户任务想写，但缓冲区满时，在信号量上睡眠，让CPU运行别的任务，待ISR从缓冲区读走数据后唤醒此睡眠任务；同样，用户任务想读，但缓冲区空时，也可以在信号量上睡眠，待外部设备有数据来了再唤醒。由于μC／OS—Ⅱ的信号量提供了超时等待机制，串口当然也具有超时读写能力。

图5所示为带缓冲区和信号量的串口接收示意图。数据接收信号量初始化为O，表示在环形缓冲区中无数据。接收中断到来后，ISR从UART的接收缓冲器中读入接收的字节②，放入接收缓冲区③，然后通过接收信号量唤醒用户任务端的读操作④、①。在整个过程中，可以查询记录缓冲区中当前字节数的变量值，此变量表明接收缓冲区是否已满。缓冲区的大小应合理设置，降低数据丢失的可能性，又要避免存储空间的浪费。

系统通信采用Modbus RTU协议，每一个数据字节包括：一个起始位、8位数据位、偶校验位、一个停止位，并采用CRC循环冗余码校验方式。

段丽

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庄雪昕

张健

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