基于CAN總線的通信節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

1 引 言

在20世紀(jì)80年代初，德國(guó)的BOSCH公司提出了用CAN總線(Controller Area Network，控制器局域網(wǎng))來(lái)解決汽車內(nèi)部的復(fù)雜硬件信號(hào)接線。CAN總線以其低成本、高可靠性、實(shí)時(shí)性、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用，1993年ISO正式頒布了ISO11898CAN高速應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和ISO11519CAN低速應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，這為CAN總線的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化鋪平了道路。CAN總線主要具有以下特性：

(1)CAN采用多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點(diǎn)均可以在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息而不分主從，通訊方式靈活且無(wú)需站地址等節(jié)點(diǎn)信息。

(2)CAN網(wǎng)絡(luò)上的信息可分成不同的優(yōu)先級(jí)，滿足不同的實(shí)時(shí)性要求；高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)最多可在134μm內(nèi)得到傳輸。

(3)CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km(速率5 kb／s以下)；通訊速率最高可達(dá)1 Mb／s(此時(shí)通信距離為40 m)。

(4)CAN只需通過(guò)報(bào)文濾波即可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無(wú)需專門的“調(diào)度”。

(5)CAN采用非破壞性總線裁決技術(shù)(CSMA／CD)，在多個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)總線發(fā)送信息出現(xiàn)沖突時(shí)，低優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)退出發(fā)送而保證高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)的信息傳輸，因此大大節(jié)省了總線沖突裁決時(shí)間，最重要的是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況(以太網(wǎng)則可能)。

(6)CAN協(xié)議廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而對(duì)通訊數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，使網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制。

(7)CAN總線具有極好的檢錯(cuò)效果，CAN的每幀信息都具有CRC校驗(yàn)和其他檢錯(cuò)措施，保證了錯(cuò)誤的輸出率極低。

(8)CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線以上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。

2 基本硬件介紹

本文所涉及的通信系統(tǒng)相關(guān)工業(yè)控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

其中，CAN總線通過(guò)PC適配卡與上位機(jī)相連，各CAN節(jié)點(diǎn)都可與上位機(jī)通信，同時(shí)互相之間也可以通信?？紤]到系統(tǒng)的可靠性與安全性，建議上位機(jī)采用工控機(jī)，當(dāng)然在要求可靠性與安全性相對(duì)較低的場(chǎng)合也可以考慮采用PC機(jī)。CAN總線控制器是以在一塊可編程芯片上的邏輯電路的組合來(lái)提供與微處理器的物理線路的接口。通過(guò)對(duì)他的編程，CPU可以設(shè)置他的工作方式，控制他的工作狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，把網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層建立在他的基礎(chǔ)之上。CAN控制器目前主要有兩大類：一類是獨(dú)立控制器，如PHILIPS公司的PCA82C200，SJA1000，INTEL公司的82526，82527等；另外一類是內(nèi)部帶有CAN控制器的微處理器，如P8XC591等。我們采用的是PHILIPS公司的SJA1000控制器以及TJA1050總線驅(qū)動(dòng)器。

2.1 SJA1000特性及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

SJA1000是一種獨(dú)立控制器，是PHILIPS公司的PCA82C200的替代產(chǎn)品。他增加了一種新的工作模式(PeliCAN)，這種模式支持具有很多新特點(diǎn)的CAN 2.0B協(xié)議。SJA1000主要具有如下特點(diǎn)：

(1)與PCA82C200獨(dú)立CAN控制引腳和電氣兼容；

(2)仍然具有PCA82C200模式(即默認(rèn)的BasicCAN模式)；

(3)擴(kuò)展的接收緩沖器(64 B FIFO)；

(4)同時(shí)支持11位和29位標(biāo)識(shí)符且與CAN 2.0B兼容；

(5)位速率可達(dá)1 Mb／s；

(6)具有詳細(xì)位號(hào)(bit position)的仲裁丟失中斷；

(7)只聽(tīng)模式(無(wú)確認(rèn)、無(wú)激活的出錯(cuò)標(biāo)志)；

(8)可編程的CAN輸出驅(qū)動(dòng)器配置；

(9)可以和不同處理器接口。

2.2 TJA1050特性

TJA1050是PHILIPS公司生產(chǎn)的，用以替代PCA82C250的高速總線收發(fā)器。該器件提供了CAN控制器與物理總線之間的接口以及對(duì)CAN總線的差動(dòng)發(fā)送和接收功能。TJA1050的主要特性如下：

(1)與ISO11898標(biāo)準(zhǔn)完全兼容；

(2)總線與電源及地之間的短路保護(hù)；

(3)優(yōu)化了輸出信號(hào)CANH和CANL之間的耦合，大大降低了信號(hào)的電磁輻射；

(4)具有強(qiáng)電磁干擾下，寬工模范圍的差動(dòng)接收能力；

(5)未上電節(jié)點(diǎn)不會(huì)干擾總線(對(duì)此類節(jié)點(diǎn)性能做了優(yōu)化)；

(6)總線至少可連接110個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3 CAN節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 CAN節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)的原理

圖2為硬件電路設(shè)計(jì)的原理框圖。其中主控制器選用ATMEL公司的ATmega128單片機(jī)，總線收發(fā)器為TJA1050。其中ATmega128為ATMEL公司生產(chǎn)的基于RISC結(jié)構(gòu)的高性能低功耗的新一代8位單片機(jī)，其主要功能如下：

(1)具有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，具有預(yù)取指令功能，大多數(shù)指令可在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成；

(2)內(nèi)置128 kB可擦寫10 000次以上的可編程FLASH；

(3)具有獨(dú)立鎖定位，可選擇的啟動(dòng)代碼區(qū)具有多重密碼保護(hù)鎖死功能；

(4)內(nèi)置模擬比較器，具有8路10位ADC，I／O口可做AD轉(zhuǎn)換用；

(5)內(nèi)部有標(biāo)定的RC振蕩器，同時(shí)具有獨(dú)立片內(nèi)震蕩器的可編程看門狗定時(shí)器；

(6)6種睡眠模式：空閑模式、ADC噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby模式以及擴(kuò)展的Standby模式；

(7)有2個(gè)異步串行通訊口UART，不占用定時(shí)器和SPI傳輸功能；

(8)具有多個(gè)片內(nèi)／外中斷源。

3.2 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)的部分說(shuō)明

(1)SJA1000選用PeliCAN模式，與微控制器連接后，其片選地址即操作SAJ1000內(nèi)部寄存器的基址用戶可以自行設(shè)定。

(2)TJA1050采用了最新的EMC技術(shù)，比PCA82C250／251的抗電磁干擾能力提高了20 dB。引腳S用于選定TJA1050的工作模式。有兩種工作模式可以選擇：如果引腳S接地，則TJA1050進(jìn)入高速模式。當(dāng)S端懸空時(shí)，其默認(rèn)工作模式也是高速模式。高速模式是TJA1050的正常工作模式，也是我們所選用的模式。如果引腳S接高電平，則TJA1050進(jìn)入靜音模式，該模式可防止由于CAN控制器失控而造成的網(wǎng)絡(luò)阻塞，同時(shí)由于TJA1050支持的CAN信號(hào)有良好的對(duì)稱性，所以不像前代產(chǎn)品需要專門的斜率控制模式。

(3)在CAN控制器和總線驅(qū)動(dòng)器的物理輸出輸入線路中，可根據(jù)情況適當(dāng)加入保護(hù)電路，以增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

4 CAN節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程

CAN應(yīng)用節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)主要分為3部分：SJA1000初始化子程序、發(fā)送子程序、接收子程序?？梢哉f(shuō)所有CAN通信程序設(shè)計(jì)都是遵循這3個(gè)基本步驟的，所以熟練掌握這3部分子程序的設(shè)計(jì)對(duì)于應(yīng)用CAN總線的工程技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是非常有必要的。下面就這3個(gè)子程序分別加以說(shuō)明。

4.1 SJA1000初始化子程序

微控制器和SJA1000之間狀態(tài)、控制和命令信號(hào)的交換都是在控制段中完成的。初始化加載后，寄存器的接收代碼、接收屏蔽、總線定時(shí)寄存器0和1以及輸出控制就不能改變了。SJA1000共有2種工作模式：復(fù)位模式和工作模式。當(dāng)硬件復(fù)位或控制器掉電時(shí)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入復(fù)位模式，只有在復(fù)位模式下才可以對(duì)SJA1000進(jìn)行初始化。初始化主要包括工作方式的設(shè)定、接收屏蔽寄存器和接收代碼寄存器的設(shè)定、總線時(shí)序寄存器的設(shè)置、輸出模式寄存器和中斷使能寄存器的設(shè)置等。在初始化完成以后，CAN總線就可以開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送工作，其初始化流程圖見(jiàn)圖3。

4.2 發(fā)送與接收子程序

首先與CAN控制器連接的微處理器必須將要發(fā)送的數(shù)據(jù)從其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中取出，與主機(jī)的ID地址一起組成信息幀按CAN報(bào)文結(jié)構(gòu)發(fā)送到發(fā)送緩沖器中，并置位命令寄存器中的發(fā)送請(qǐng)求標(biāo)志，接收到發(fā)送請(qǐng)求后發(fā)送過(guò)程由CAN控制器自動(dòng)完成。在檢測(cè)到接收緩沖器中存在有效報(bào)文后，接收程序?qū)⒔邮站彌_器中的內(nèi)容讀入CPU的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。接收完畢后檢查總線狀態(tài)及溢出情況等并做相應(yīng)處理，發(fā)送與接收程序流程圖見(jiàn)圖4。

5 結(jié)語(yǔ)

采用了多主工作方式及CSMA／CD的CAN總線以其顯著優(yōu)于傳統(tǒng)“一主多從”式多機(jī)串行通訊模式而得到了廣泛應(yīng)用。實(shí)踐表明，由于CAN總線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，器件容易購(gòu)置，開(kāi)發(fā)技術(shù)易于掌握，且具有統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，故在現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展中占有了重要位置。本文所介紹的基于CAN總線的通信節(jié)點(diǎn)可在大部分中短距離傳輸信息的控制現(xiàn)場(chǎng)發(fā)揮良好的作用。