0 引言

橡塑機(jī)械是現(xiàn)代制造技術(shù)中一類重要工具，是一種由數(shù)控裝置,、伺服驅(qū)動(dòng)裝置,、機(jī)床主體和其他輔助裝置構(gòu)成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它被廣泛應(yīng)用在橡塑產(chǎn)品加工制造領(lǐng)域,。隨著科技的進(jìn)步,，橡塑機(jī)械正朝著高速度、智能化,、多功能化,、高可靠性的方向發(fā)展。在監(jiān)控系統(tǒng)方面,，尤其是近年來,，也發(fā)展得更為集成化、網(wǎng)絡(luò)化,。作為提升橡塑機(jī)械性能的一個(gè)重要組成部分,，其監(jiān)控系統(tǒng)也得到了長足的發(fā)展。本文設(shè)計(jì)了一款基于ARM9,、嵌入式Linux以及CAN總線技術(shù)的應(yīng)用于橡塑機(jī)械的雙層網(wǎng)絡(luò).,，并介紹了成功應(yīng)用于橡塑機(jī)械的實(shí)例。

1 雙層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)基于工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控集成化,、自動(dòng)化的理念設(shè)計(jì)了下層CAN總線結(jié)構(gòu),。在現(xiàn)場監(jiān)控部分，.所需要完成的工作包括：通過CAN總線與底層控制器交互,，讀取并顯示橡塑機(jī)械當(dāng)前工作的狀態(tài),，配置并發(fā)送需要修改的運(yùn)行參數(shù)。

在CAN現(xiàn)場總線的基礎(chǔ)上,，基于遠(yuǎn)程維護(hù)監(jiān)控的理念,，設(shè)計(jì)了上層的網(wǎng)絡(luò)支持。在上層網(wǎng)絡(luò)部分,，.提供WEB服務(wù)器,，根據(jù)遠(yuǎn)程PC的請(qǐng)求發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù),。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)采用了以ARM9內(nèi)核CPU為主體的組織體結(jié)構(gòu),。選擇了S3C2410為核心,，擴(kuò)展了64M SDRAM和64M NAND FLASH的硬件系統(tǒng)。由于該CPU內(nèi)部并未集成CAN總線控制器以及以太網(wǎng)控制器,，因此通過MCP2510以及CS8900A分別擴(kuò)展了CAN總線功能和以太網(wǎng)功能,。以下對(duì)兩個(gè)擴(kuò)展部分做重點(diǎn)介紹。

2．1 CAN總線擴(kuò)展

MCP2510完全支持CAN總線V2．0A／B技術(shù)規(guī)范,，能夠發(fā)送和接收標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展報(bào)文,，同時(shí)具備驗(yàn)收過濾以及報(bào)文管理功能。該器件包含三個(gè)發(fā)送緩沖器和兩個(gè)接收緩沖器,，能夠減少S3C241O芯片的管理負(fù)擔(dān)和軟件設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān),。

接口中使用了總中斷引腳INT，處理器在響應(yīng)總中斷后,，通過SPI通道訪問MCP2510內(nèi)部相應(yīng)寄存器來確定具體的中斷事件,，并對(duì)其做出處理。

如圖2所示,，S3C2410通過SPI總線發(fā)送MCP2510控制命令以及需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，通過MCP2510控制轉(zhuǎn)換以后生成總線報(bào)文,，并通過光電隔離器6N137以及總線驅(qū)動(dòng)器8C250之后發(fā)送到CAN總線上,。

2．2 以太網(wǎng)擴(kuò)展

以太網(wǎng)和CAN現(xiàn)場總線的集合，大大加速了工業(yè)控制集成化,、信息化的進(jìn)度,。采用了CS8900A芯片以完成以太網(wǎng)擴(kuò)展。其主要包括802．3介質(zhì)訪問控制塊,，支持全雙工操作,，完全依照IEEE 802．3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)(ISO／IEC8802-3，1993),，負(fù)責(zé)處理有關(guān)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接收,。

在硬件連接上，通過外部中斷EINT9來響應(yīng)通信,，通過ADDR24以及其他片選讀寫信號(hào)來控制網(wǎng)卡芯片的工作以及地址空間位置,。

在收到由CPU發(fā)來的數(shù)據(jù)報(bào)后，CS8900A將開始偵聽網(wǎng)絡(luò)線路,。如果線路忙,，就等待線路空閑，否則立即發(fā)送數(shù)據(jù),。發(fā)送過程中,，需要添加以太網(wǎng)幀頭,，產(chǎn)生CRC校驗(yàn)碼，最后將此數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去,。接收數(shù)據(jù)時(shí),，接收到數(shù)據(jù)幀后，還需要經(jīng)過解碼,、剝除幀頭和地址檢驗(yàn)等步驟后存于CS8900A片內(nèi)的緩存區(qū),。并還需要通過CRC校驗(yàn)，便會(huì)產(chǎn)生外部中斷,，通知主機(jī)收到了數(shù)據(jù)幀,，最后，再根據(jù)CPU的指令,，將數(shù)據(jù)傳輸給CPU,。

網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展對(duì)于橡塑機(jī)械的整體化集成化管理起著極為關(guān)鍵的作用，作為一個(gè)高速,、開放的通信接口,，網(wǎng)絡(luò)給系統(tǒng)帶來了很大的靈活性和可擴(kuò)展性。同時(shí),，在監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)試過程中網(wǎng)絡(luò)也發(fā)揮著不可替代的作用,。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè).的軟件設(shè)計(jì)建立于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，因此軟件設(shè)計(jì)分為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)兩大部分,。系統(tǒng)軟件主要為對(duì)應(yīng)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備,，CS8900A為常用的典型網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展設(shè)備，已經(jīng)有既成的驅(qū)動(dòng)程序,；而CAN總線擴(kuò)展則需要根據(jù)應(yīng)用中所需要的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來自定義實(shí)現(xiàn),。應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)部分主要包括CAN服務(wù)器端的開發(fā)和WEB Server的移植。

3．1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用外部中斷EINT3連接MCP2510的總中斷,，配置控制器始終處于喚醒模式,，發(fā)送器處于正常模式，并使能接收,、發(fā)送,、錯(cuò)誤中斷，以中斷方式處理CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā),。具體流程如圖3所示,。

對(duì)中斷的處理主要包括以下三種模式：

(1)發(fā)送處理。在滿足下述兩種條件時(shí)會(huì)啟動(dòng)發(fā)送處理：其一發(fā)送中斷響應(yīng)中,，如果當(dāng)前有發(fā)送任務(wù),，通過發(fā)送緩沖區(qū)記錄標(biāo)志確定空的發(fā)生緩沖區(qū)并向其中填發(fā)送幀，然后啟動(dòng)發(fā)送,；其二在接收中斷響應(yīng)中,，在接收處理完后如果有發(fā)送任務(wù)且有發(fā)送緩沖區(qū)空閑,，同樣會(huì)處理發(fā)送任務(wù)。采用兩種發(fā)送處理方式可充分利用MCP2510的多個(gè)發(fā)送,、接收緩沖區(qū),，以提高通信效率。

(2)接收處理,。首先需根據(jù)ICOD的值來確定當(dāng)前準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)的接收緩沖區(qū),。接收幀處理過程中首先讀取幀的ID值，確定當(dāng)前幀的數(shù)據(jù)是哪個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的,，并據(jù)此把幀中數(shù)據(jù)字段的數(shù)據(jù)存放在相應(yīng)的位置,。

(3)錯(cuò)誤處理。由于引起錯(cuò)誤處理的原因很多,，在產(chǎn)生錯(cuò)誤中斷之后,，需訪問錯(cuò)誤標(biāo)志寄存器確定具體錯(cuò)誤類型，并據(jù)此做相應(yīng)的處理,。

最后在所有的處理中都需更新發(fā)送緩沖區(qū)使用記錄,，以便于發(fā)送和接收中斷響應(yīng)中據(jù)此判斷發(fā)送緩沖區(qū)的使用情況，從而確定當(dāng)前是否可以做發(fā)送處理,。

3．2 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

3．2．1 CAN服務(wù)器端設(shè)計(jì)

CAN服務(wù)器端需要完成兩大部分的工作,。一是和底層控制器交互，二是處理并存儲(chǔ)好相應(yīng)的數(shù)據(jù),，以提供給人機(jī)界面和WEB服務(wù)器使用,。

CAN總線默認(rèn)的調(diào)度方式為CAMA／CD協(xié)議，該協(xié)議原理比較簡單,，技術(shù)上易實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)處于平等地位,，不需集中控制,，不提供優(yōu)先級(jí)控制。但在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增大時(shí),，發(fā)送時(shí)間增長,，發(fā)送效率急劇下降，即會(huì)永遠(yuǎn)優(yōu)先發(fā)送優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)而阻塞優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn),，因此考慮到對(duì)該協(xié)議進(jìn)行改進(jìn),。為了自定義協(xié)議，因此我們的CAN數(shù)據(jù)采用了擴(kuò)展幀,。

針對(duì)橡塑機(jī)械需要的通信數(shù)據(jù)類型設(shè)計(jì)了如下的通信協(xié)議,。主要具備以下幾點(diǎn)特點(diǎn)：

(1)下位機(jī)根據(jù)仲裁段優(yōu)先級(jí)來確定該段數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)；

(2)優(yōu)先級(jí)的分配由服務(wù)器端進(jìn)行,，讀取初始化配置文件(包括節(jié)點(diǎn)編號(hào)和優(yōu)先級(jí)碼兩個(gè)部分)+頁面設(shè)定,；

(3)優(yōu)先級(jí)根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的截止時(shí)間決定(DM),。要求的時(shí)間越短，其優(yōu)先級(jí)越高,。

(4)通信數(shù)據(jù)的命令格式如圖4所示,，其中所有字節(jié)均為ASCII字符。

開始位必須放@,，以示命令的開始,。標(biāo)題碼為命令的代碼；用”*”和回車(ASCII碼為13)作為命令結(jié)束,。

一次通訊的流程如圖5所示,。

設(shè)計(jì)了兩個(gè)隊(duì)列，分別為發(fā)送隊(duì)列和接收隊(duì)列,，以處理大量數(shù)據(jù)的發(fā)送問題,。在隊(duì)列中的數(shù)據(jù)按照其優(yōu)先級(jí)排序(DM判定)。

3．2．2 WEB服務(wù)器的移植

Boa是一個(gè)運(yùn)行在類Unix系統(tǒng)中的小型Web Server,，特別適合在嵌入式的場合中使用,，其優(yōu)點(diǎn)在于快速性和可靠性。

Boa網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的移植主要有兩個(gè)部分：src下的文件修改和config文件修改,。Src部分需要修改應(yīng)用的硬件平臺(tái)配置,，指定交叉編譯器等。config文件需要針對(duì).設(shè)備所處網(wǎng)絡(luò)環(huán)境來配置端口號(hào)等,。

根據(jù)移植好的Boa,，設(shè)計(jì)了圖6所示結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程橡塑機(jī)械WEB Server。

Boa服務(wù)器用以處理用戶請(qǐng)求,，并返回?cái)?shù)據(jù)給瀏覽器,。當(dāng)瀏覽器需要訪問.上動(dòng)態(tài)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)時(shí)，Boa服務(wù)器將調(diào)用存儲(chǔ)在服務(wù)器中的CGI(公用網(wǎng)關(guān)接口)程序,。首先瀏覽器提交請(qǐng)求,，Boa接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)后進(jìn)行解析，再根據(jù)請(qǐng)求數(shù)據(jù)調(diào)用相關(guān)的CGI程序,，CGI生成相關(guān)頁面數(shù)據(jù)向屏幕輸出,，此時(shí)這個(gè)輸出被定義為到Boa的輸入，Boa再返回?cái)?shù)據(jù)給瀏覽器客戶端,。上述CGI程序中實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)文件／tmp／currentData的調(diào)用,，并輸出給瀏覽器端。

4 在橡塑機(jī)械上的應(yīng)用實(shí)例

本網(wǎng)絡(luò).配合相應(yīng)的圖形用戶界面程序已經(jīng)成功應(yīng)用于抽真空平板硫化機(jī)上,，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了雙機(jī)的同時(shí)監(jiān)控,。通過本.可實(shí)時(shí)監(jiān)控抽真空平板硫化機(jī)在運(yùn)行當(dāng)中的各工序，配置硫化機(jī)的各項(xiàng)生產(chǎn)工藝參數(shù),。遠(yuǎn)程的計(jì)算機(jī)也可通過局域網(wǎng)讀取到.上的運(yùn)行設(shè)備,。

5 結(jié)束語

ARM9,、嵌入式Linux操作系統(tǒng)、以及CAN總線和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在本.上的應(yīng)用將結(jié)構(gòu)簡單,、功能局限的一對(duì)一的橡塑機(jī)械.擴(kuò)展到了網(wǎng)絡(luò)化,、信息化的集成系統(tǒng)當(dāng)中。CAN總線數(shù)據(jù)的按優(yōu)先級(jí)調(diào)度能適應(yīng)多任務(wù),、大容量數(shù)據(jù)的處理,，可有效提高.的實(shí)時(shí)性能，而嵌入式WEB服務(wù)器的成功移植實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程的監(jiān)測和維護(hù),，可大大縮短維護(hù)時(shí)間開銷,，減少維護(hù)成本。

同樣,，本控制器不僅僅局限于現(xiàn)今應(yīng)用中的抽真空平板硫化機(jī),，其網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)理念使得只需要將具體通信數(shù)據(jù)協(xié)議以及與人機(jī)界面程序的接口稍作修改即可應(yīng)用于其他的橡塑機(jī)械乃至于其他工業(yè)控制應(yīng)用場合。（電子科技 作者：謝英俊 李 婷 陳飛飛 金 波 ）