CAN总线在广播发射机监控系统设计中的应用
摘要：在光电技术研发中，广播发射台自动监控技术为难点，而自动化监控系统的发展主要表现在现场总线控制系统。在现场总线中，CAN总线应用广泛，具有安全、通信速率高和费用低的优势，在实现发射机远程监控自动化、降低电磁干扰上具有明显的作用。文章主要从下位机数据采集控制模块、CAN总线通信设计与下位机数据采集控制模块作为研究重点，为CAN总线在广播发射机监控系统中的应用提供参考与借鉴。
关键词：CAN总线 广播 发射机 监控系统 应用
中图分类号：TN931 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）02-0000-00
广播电视的发展与人们的生活密切相关，广播电视承载着丰富多彩的节目信息，对于丰富人们的精神生活具有重要的意义。大力发展广播电视事业，在广播电视中注意利用自动控制技术和互联网技术，可提高广播电视播出质量。而广播智能化的发展，也对广播发射机监控系统提出了更高的要求。文章总几个方面介绍了CAN总线在广播发射机监控系统设计中的应用。
1 基于CAN总线发射机监控系统设计方案
1.1 中波发射机监控系统
中波发射机由数字音频处理系统、射频功率系统、电源供电系统和检测控制系统组成。其中，中波台现场监控系统构造与发射机指标、性能之间息息相关。在分析监控系统需求时，首先需分析发射机监视指标、自动控制操作等[1]。本研究采用美国Harris公司DX系列发射机。通过对系统需求的分析，主要解决的问题：一是通信，二是功能分配，三是资源分配。
对于监控系统来说，其基础为发射机参数与控制。目前，下位机有两种方案：一种是可编程逻辑控制器（PLC），一种是单片机。本设计采用单片机设计方法，内部集成CAN控制器为MCU[2]。
1.2 CAN总线的网络构成
工业现场网络的发展，要求广播发射极微控制器事实上是监控广播发射机。而这就要求大量数据能安全和快速传递。而构建的网络是否可靠，关键要看网络的抗干扰性能和稳定性，以及是否能够与现场设备兼容，是否能兼顾网络协议与系统成本。中波发射机监控系统的工业网络拓扑结构分为星型和总线型两种拓扑结构。系统的总体结构如图1所示。
2 广播发射机监控现场总线技术与CAN总线
2.1 现场总线介绍
现场总线其实组成的也是一个系统，用以连接现场智能化设备和全自动化系统。现场的设备包括仪器仪表、控制器和执行机构。而现场网络总线控制网络的一种，其重要基础就是网络技术[3]。与信息网络比较，网络技术仅有ISO/OSI7层模型中的物理层、应用层和数据链路层。同时，现场总线需要与上层工厂信心系统传递和交换数据。监控系统对现场总线控制系统的要求只有一个字，就是“快”，要求它的传输速度快、响应时间短和巡回时间短。
2.2 几种常见的总线技术
（1）基金会现场总线（FF）。这种总线是种全数字式串行双向通信系统，具备开放型数字通信能力，因而具备网络化特征。根据ISO开放化系统中的网络协议[4]。FF有用户层、现场总线信息规范子层FMS和现场总线访问子层FAS、数据链路层和物理层。（2）HART。HART是一种可寻址远程传感器高速通道开放通信协议，这一协议采用的是统一的描述语言DDL，其协议的基础为Bell202标准的 FSK频键控信号。由于HART现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，所以也是由模拟系统向数字系统转变过程的产品，不过在开发过程中，无法开发出满足于各个公司通信要求的接口芯片[5]。（3）CAN总线。CAN总线的总称为控制器局域网，一种能够有效支持分布式控制或实时控制串行通讯网路。在各种总线中，CAN总线的抗干扰能力较强，且具有较强的系统故障隔离能力，使其应用范围不断拓展。CAN信号传输为短帧结构，传输时间短，使得系统故障无法扩散。因其各方面的优势，所以在构建中波发射机监控系统中得到了良好应用。
2.3 CAN总线介绍
CAN是ISO国际标准化串行通信协议，作为一种多主方式串行通讯总线，在基本设计规范要求较高的位速高。当前，CAN协议不断完善，集成CAN协议器件不断涌现，总线的优越性主要集中在：一是成本低，总线利用率高，二是可多主方式工作，网络上任何节点，均可在任何时刻主动向网络上的节点发送信息，灵活的通讯方式；三是通讯距离超过10km，通讯速率高达1Mbps；四是按照报文ID滤波，决定是否接受或屏蔽报文；无视CAN数据信号由CAN-L和CAN-H两条信号线差分传送，信号传输可由短帧完成，具有极强的抗干扰能力[6]。
在存在形式上，CAN的存在形式有两种：（1）带有扩展的29位ID标识符高级形式peliCAN；（2）具有II位ID标识符BasicCAN。这两种存在形式的不同主要在于标识符域的长度。而关于CAN总线的错误处理机制，主要包括位错误、格式错误和填充错误，以及CRC错误、ACK错误等。而CAN节点单元的状态主要有三种，即主动错误状态、被动错误状态和总线关闭状态。
3 广播发射机监控系统设计分析
3.1 系统硬件结构
中波台发射机硬件监控系统的组成部分，主要包括6个数据采集控制模块、1台主监控PC、1块PC-CAN接口卡。其中，6个数据采集控制模块，也就是6台下位机，功能包括数据入库、数据采集和数据检测[7]。而主监控PC也就是上位机，可实时监测发射机，对参数实施控制。根据系统功能，系统硬件设计的核心部分，是下位机功能与通信接口设计、PC-CAN通信转换卡选择。
（1）下拉机硬件模块。监控系统下位机，即数据采集控制模块，与发射机紧密相连，在系统设计中，其是核心部分，其性能是否优良，关系到整个系统的性能。下位机硬件模块，应当就具有较强的抗干扰性、较多的I/O口，同时还应确保满足高速大量数据传输。根据以上分析，满足发射机特点与条件，下位机的实现方式有三种。而从成本角度，从控制系统功能角度看，采用集成CAN控制器SJA1000单片机P87C591是设计的控制核心。这种设计，在有效满足系统要求的同时，还能够减少中间线路与布线。而按照系统功能的不同，分为串口测试模块、CAN通信接口模块、数据采集控制模块、微处理器和电源监控模块。（2）微处理器模块。下位机的核心组件就是微处理器模块，这一模块是按照数据采集模块收集的信息，来处理相关信息。数据交换，均需经过微处理器模块。在下位机系统中，微处理器通过CAN接口模块，然后再通过CAN总线传送至监控主机，后者可接收、处理子系统传送的信息，最后由微处理器来负责控制管理被监控设备[8]。微处理器P8xC591属于单片8位高性能微控处理器，片内存在着CAN控制器。这种微处理器功能采用了强大的80C51指令集，而其全静态内核，提供了扩展节电方式。振荡器能够停止，能够恢复，因而数据不会轻易丢失。微处理器的内部结构复杂，不但具有控制系统需要的数字外设、模拟功能，还具备看门狗、PWM、ADC和方波输出等功能。CPU和其他电路工作时钟，主要是由晶振电路提供。引脚21XTAL1与引脚20XTAL2功能不同，前者为振荡器输入管脚，后者为振荡器输出管脚。本次设计采用外部12MHz振荡源，是一种稳定自激振荡器。