針對封閉式引水隧道內多點水位信息的實時、準確的采集，提出基于CAN總線" title="CAN總線">CAN總線的嵌入式" title="嵌入式">嵌入式水位監測系統" title="監測系統">監測系統設計思想，集總線技術、單片機技術于一體，實現了對多點水位信息的采集、計算、儲存、發送等處理功能。使用iCAN協議，使水位監測點可以對多點水位信息進行集中控制采集，可實時準確地掌握隧道內多點水位信息。
1 系統總體方案設計
1．1 系統基本結構
嵌入式水位監測系統由數據監測終端、上位機監測服務器和CAN總線網絡組成，系統總體結構框圖如圖l所示。
系統采用分布式集中管理的結構，分為2層：1)第1層是數據采集終端層。數據采集終端通過水位傳感器對水位信息進行采樣，通過CAN總線接口與第2層進行通信；2)第2層是監測管理層。第1層通過CAN總線延長通信距離，再經過CAN適配卡與第2層的監測服務器相連。一臺監測服務器可以管理多個數據采集終端。
在網絡中的監測終端可以獨立的對傳感器進行數據采集、計算、儲存等，監測服務器可以通過CAN總線和各個監測點之間進行實時通信，接收監測終端的水位信息向監測終端發出查詢指令。通過iCAN協議實現監測節點的分散監測和集中管理。當系統需要增加監測節點時，可以直接將其掛在CAN網絡上，對系統其他節點不會有任何影響。
1．2 監測終端硬件電路設計
監測終端的硬件結構框圖如圖2所示，主要包括微處理器、數據存儲電路、鍵盤和顯示電路以及CAN收發等電路。微處理器采用基于ARM7 TDMI核的32位RISC芯片LPC2368，其內置2路CAN控制器，通過外接CAN收發器可方便的進行CAN數據收發。傳感器輸出的信號經過濾波和調理轉換為所需要的電信號。采用12位低功耗、串行輸出模數轉換器TLC2574采集電壓信號，使監測終端能準確、穩定地采集電壓信號。
1．2．1 器件選型
為提高系統的實時性和可靠性，監測終端選用可移植嵌入式操作系統的ARM7 TDMI內核的32位RISC芯片LPC2368。LPC2368是一款功能強大的超低功耗ARM7TDMIS內核的32位微控制器，最高支持72MHz工作頻率，片內有Flash 512KB，ROM 56KB，集成10／100全雙工Ethemet MAC，2個兼容CAN2．0A／2．OB的CAN控制器，帶RMII接口，其性能穩定、功能強大，廣泛應用于協議轉換、通信、工業控制領域。應用LPC2368開發監測終端可以有效控制成本。工業網絡需要強穩定性，但實驗證明超過60％的總線帶寬使用率就會造成沖突。1根AHB總線是完全不夠的，而LPC2368具有雙總線機制和DMA協處理機制。任何一根總線都可以通過總線橋與其余總線通信，消除了通信瓶頸。
1．2．2 CAN總線接口硬件設計
通過CAN總線通信接口可使各監測終端和監控計算機通信，實現監測終端的數據共享。CAN總線接口硬件電路如圖3所示。
LPC2368內部集成有2個兼容CAN2．0／2．0B的CAN控制器，只需增加一個CAN總線收發器就能滿足設計要求。CTM8251T是一款帶隔離的通用CAN收發器，該器件內部集成了所需的CAN隔離及CAN收、發器，它可以將CAN控制器的邏輯電平轉換為CAN總線的差分電平，將CAN總線差分電平轉換成邏輯電平，具有DC 2 500 V的隔離功能和CAN總線過壓保護功能，而且在某一節點掉電時不會影響總線。
各個監測終端間通過帶屏蔽雙絞線構成CAN總線網絡，總線兩端連接120 Ω的匹配電阻，用于提高系統的穩定性、增強系統的抗干擾能力。
1．2．3 嵌入式終端電源電路設計
基于ARM內核的微處理器的嵌入式系統性能在很大程度上取決于電源電路的穩定性和可靠性，因此設計穩定可靠的電源非常重要。LPC23 68有數字電源輸入和模擬電源輸入2種，分別是+3．3 V和-3．3 V，另外CAN收發器的供電電壓為+5 V。系統電源采用LM2576系列穩壓器，把外部直流電源穩壓成+5 V電源，為CAN收發器提供電源。采用SPXlll7把+5 V電源穩壓成2路+3．3 V電源，以提供LPC2368的數字和模擬電源，數字電源和模擬電源之間通過磁珠隔離。
2 系統軟件設計
系統軟件設計部分包括2方面：1)監測終端軟件設計，主要是對傳感器的數據采集和處理，完成與上位機之間的數據通信功能；2)上位機軟件設計，主要包括CAN節點初始化、報文發送和報文接收。
2．1 監測終端軟件設計
監測終端軟件主要由啟動代碼、斷處理、實時操作系統、設備驅動和應用程序組成。啟動代碼完成啟動、初始化硬件、引導系統正常運行等工作。實時操作系統μC／OS-Ⅱ是系統運行的指揮中心，完成任務調度和資源分配等工作。設備驅動是操作系統上層應用軟件和下層硬件的聯系，本設計主要包括CAN控制器驅動、A／D采集驅動等。上層應用程序基于以上各個模塊，完成用戶要實現的各種功能，通常按功能分成多個模塊。本設計中主要包括傳感器數據采集模塊、參數設置模塊、CAN通信模塊。由表1所列的任務完成以上模塊功能。
2．1．1 定時數據采集
定時數據采集模塊負責定時采集傳感器的信號。A／D轉換由定時器產生周期中斷標志觸發，當采樣完1個周期后，由中斷服務程序發給Task_AD發送信號量，Task_AD收到信號量后，將數據進行相應的處理。
2．1．2 CAN收發子程序
CAN協議是建立在ISO的開放系統互聯模型的基礎上的，取其中的3層：物理層、數據鏈路層和應用層。物理層和數據鏈路層的功能可由CAN接口芯片實現，而應用層的功能則要靠應用程序完成。CAN總線接口通信模塊是接收和發送CAN總線數據。主要操作包括CAN控制器初始化和CAN總線上接收和發送數據的操作。
CAN收發子程序主要完成CAN控制器的初始化和CAN數據的接收、發送。CAN控制器的初始化主要是給相應的寄存器寫入一定的數值以完成各種參數的設置，如波特率、位周期寬度、采樣點位置等。
CAN控制器有3個獨立的發送緩沖寄存器，發送時要判斷緩沖空閑。本設計中，先判斷第一主發送緩沖區，然后進行數據格式轉換，啟動發送數據。接收采用中斷方式。報文發送、接收數據流程如圖4所示。
2．1．3 iCAN協議報文處理
iCAN協議為CAN總線的應用層協議。該協議是基于CAN的內部通信協議，小巧、通信效率高，對硬件資源要求低，適用于小型系統。系統中的設備統稱為iCAN節點。iCAN協議定義的通信方式是“面向節點，基于連接”的通信方式。“面向節點”是指源節點地址及目的節點地址均已給定，即對于任何一個報文參與通信的雙方是確定的。“基于連接”是指在網絡中任何一個參與通信的從站設備都必須和主站設備之間建立一個獨立的通信連接。這樣也為對任何一個設備的通信進行監控提供可能。
iCAN協議使用了擴展幀格式CAN報文，對CAN報文的29位標識符和報文數據都做了詳細規定。報文標識符制定了數據通信中的源節點MACID和目標節點MACID，并指示了報文的功能以及所要訪問的資源。報文標識符被分為5個部分：SrcMACID(源節點編號)、De2stMACID(目標節點編號)、ACK位、FUNC ID(功能碼)、Source ID(資源節點編號)。
監測終端要收發的數據必須符合iCAN協議報文的格式，先要把CAN的數據轉換成符合iCAN協議格式的報文，再通過CAN的首發子程序接收和發送。
2．2 上位機管理軟件設計
完成上述設計后，在計算機端還需要一套水位監測系統管理軟件，以實現網絡數據采集、與數據庫的連接和數據實時查詢等功能。上位機軟件流程如圖5所示。
監測終端采集傳感器信號，實時獲得水位數據并通過ZOPC_SERVER服務器傳輸到客戶端KingVIEW，同時KingVIEW作為服務器提供數據給SQL數據庫。在KingVIEW的圖形化界面上既可以顯示實時水位數據，又可以查看歷史水位數據。
3 結束語
實驗結果表明：該系統可通過1根雙絞線在通信速率為9 600 b／s的情況下，可在6 km范圍內實時監測63個節點的水位信息。此嵌入式水位監測系統可應用在基于ARM7核心的多點水位監測的工廠、城市供水、隧道等場合。本系統可以實現水位信息采集的現場總線通信，使各節點連接在總線網絡上，實時獲取水位信息，方便數據庫的管理和更新，可進行數據庫的定點定時水位查詢。