cancan總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文（含外文翻譯）

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　CAN總線上的接口是網(wǎng)絡(luò)上報(bào)文的接收和發(fā)送站一般由單片機(jī)和可編程的CAN通信控制器組成。</p><p>　　本文首先較為詳細(xì)地分析了控制器局域網(wǎng)CAN總線的發(fā)展歷程及未來(lái)的發(fā)展，論述了CAN總線的特點(diǎn)和通信協(xié)議，并介紹了CAN的高層協(xié)議。再次介紹了一種新型的獨(dú)立CAN通信控制器MCP2515，以及MCP

2、2515的功能，結(jié)構(gòu)和工作原理，最后用單片機(jī)中常用的PIC16F877和MCP2515完成硬件接口電路。由于使用了高速SPI接口收發(fā)數(shù)據(jù)，提高了CAN報(bào)文的傳輸能力，同時(shí)擴(kuò)大了CA接口解決方案所采用的單片機(jī)的選擇范圍，而不必強(qiáng)求MCU必須內(nèi)含CAN總線控制模塊。軟件設(shè)計(jì)時(shí)，給出了軟件流程圖和程序。本接口在對(duì)軟件稍作修改后就可以通過(guò)SPI接口和MCP2515交換數(shù)據(jù)。這樣，不需要更換MCU就可以在現(xiàn)有的產(chǎn)品上增加CAN總線的通信功能，從而

3、達(dá)到了產(chǎn)品的快速更新。</p><p>　　關(guān)鍵詞：CAN總線； MCP2515； PLC16F877</p><p><b>　　Abstract </b></p><p>　　CAN Bus interface on the network is reported to receive and send text of the statio

4、n. General from the CAN microcontroller and programmable communications controller. </p><p>　　This paper is more detailed analysis of the CAN Bus course of development and the future development of the CAN b

5、us on the characteristics and communication protocol, introduced the CAN and the high-level agreements. Once again introduced a new independent CAN communications controller MCP2515, and the MCP2515 function, structure a

6、nd working principle, commonly used in the final with the PIC16F877 MCU and MCP2515 complete hardware interface circuit. As the use of high-speed SPI interface send an</p><p>　　Key words: CAN bus; MCP2515; P

7、LC16F877</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要- 1 -</b></p><p>　　Abstract- 2 -</p><p><b>　　1 緒 論1</b></p><p>　　1.1設(shè)計(jì)背景和意

8、義1</p><p>　　1.2 相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀2</p><p>　　2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)7</p><p>　　2.1 控制器局域網(wǎng)（CAN）總線概述7</p><p>　　2.1.1 CAN總線概述7</p><p>　　2.1.2 CAN總線的協(xié)議9</p><p>　　

9、2.2 系統(tǒng)總體方案的確定11</p><p>　　2.2.1 微控制器的選取方案論證11</p><p>　　2.2.2 CAN控制器的選取方案論證12</p><p>　　2.2.3 CAN收發(fā)器的選取方案論證13</p><p>　　2.2.4 系統(tǒng)總體方案及框圖13</p><p>　　3 系統(tǒng)硬件電

10、路器件介紹與電路分析15</p><p>　　3.1節(jié)點(diǎn)通信電路設(shè)計(jì)主要芯片介紹15</p><p>　　3．1．1 AT89C52簡(jiǎn)介15</p><p>　　3.1.2SJAl000簡(jiǎn)介17</p><p>　　3.1.3 PCA82C250收發(fā)器18</p><p>　　3.2 系統(tǒng)硬件總體描述20&

11、lt;/p><p>　　3．2.1硬件設(shè)計(jì)方案20</p><p>　　4 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)27</p><p>　　4.1CAN總線的報(bào)文傳送傳輸27</p><p>　　4.1.2錯(cuò)誤處理28</p><p>　　4．2節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)方案29</p><p>　　4.2.1 CAN總線通信模

12、塊29</p><p>　　4.2.2 RS．485協(xié)議模塊34</p><p>　　4.3數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及處理軟件設(shè)計(jì)35</p><p>　　4.3.1最小二乘法擬合線性化方法35</p><p>　　4.3.2數(shù)字濾波程序36</p><p>　　4.3.3 A／D轉(zhuǎn)換程序36</p><

13、;p>　　5 系統(tǒng)調(diào)試及可靠性分析37</p><p>　　5.1 系統(tǒng)軟硬件調(diào)試37</p><p>　　5.2 系統(tǒng)可靠性分析38</p><p>　　5.2.1 光電隔離38</p><p>　　5.2.2 抗干擾設(shè)計(jì)39</p><p><b>　　結(jié)論40</b><

14、;/p><p><b>　　致謝41</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)42</b></p><p><b>　　附錄43</b></p><p>　　附錄1：系統(tǒng)主要程序43</p><p>　　附錄2：系統(tǒng)硬件原理圖56</p&

15、gt;<p><b>　　科技文章摘譯57</b></p><p><b>　　英文原文57</b></p><p><b>　　英文譯文62</b></p><p>　　時(shí)鐘精度要求確定為UART的通訊62</p><p><b>　　1 緒

16、論</b></p><p>　　1.1設(shè)計(jì)背景和意義 </p><p>　　現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)基礎(chǔ)是一種全數(shù)字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)，是應(yīng)用于各種計(jì)算機(jī)控制領(lǐng)域的工業(yè)總線，因現(xiàn)場(chǎng)總線潛在著巨大的商機(jī)，世界范圍內(nèi)的各大公司投入相當(dāng)大的人力、物力、財(cái)力來(lái)進(jìn)行開發(fā)研究。當(dāng)今現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)一直是國(guó)際上各大公司激烈競(jìng)爭(zhēng)的領(lǐng)域，由于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的不斷創(chuàng)新，過(guò)程控制系統(tǒng)由第四代的DCS發(fā)展至今的

17、FCS（Fieldbus Control System）系統(tǒng),已被稱為第五代過(guò)程控制系統(tǒng)。而FCS和DCS的真正區(qū)別在于其現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)以數(shù)字信號(hào)取代模擬信號(hào)，在3C（Computer計(jì)算機(jī)、Control控制、Communication通信）技術(shù)的基礎(chǔ)上，大量現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與控制信息就地采集、就地處理、就地使用，許多控制功能從控制室移至現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。由于國(guó)際上各大公司在現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)這一領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)，仍未形成一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，目前，在現(xiàn)場(chǎng)

18、總線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)都是遵守OSI參考模型。 </p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，過(guò)程控制領(lǐng)域在過(guò)去的兩個(gè)世紀(jì)里發(fā)生了巨大的變革。150多年前出現(xiàn)的基于5－13psi的氣動(dòng)信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)志著控制理論初步形成，但此時(shí)尚未有控制室的概念；20世紀(jì)50年代，隨著基于0－10mA或4－20mA的電流模擬信號(hào)的模擬過(guò)程控制體系被提出并得到廣泛的應(yīng)用，標(biāo)志了電氣自動(dòng)控制時(shí)代的到來(lái)，三大控制論的確立奠定了現(xiàn)代控制的基礎(chǔ)，設(shè)立控

19、制室、控制功能分離的模式也一直沿用至今；20世紀(jì)70年代，隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)的介入，產(chǎn)生了“集中控制”的中央控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，而信號(hào)傳輸系統(tǒng)大部分是依然沿用4－20mA的模擬信號(hào)，不久人們也發(fā)現(xiàn)了伴隨著“集中控制”，該系統(tǒng)存在著易失控、可靠性低的缺點(diǎn)，并很快將其發(fā)展為分布式控制系統(tǒng)；微處理器的普遍應(yīng)用和計(jì)算機(jī)可靠性的提高，使分布式控制系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，由多臺(tái)計(jì)算機(jī)和一些智能儀表以及智能部件實(shí)現(xiàn)的分布式控制是其最主要的特征，而數(shù)字傳輸信號(hào)也

20、在逐步取代模擬傳輸信號(hào)。隨著微處理器的快速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)延伸到工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)成為可能，產(chǎn)生了以微處理器為核心，使用集成電路代替常規(guī)電子線路，實(shí)施信息采集、顯示、處理、傳輸以及優(yōu)化控制等功能的</p><p>　　CAN網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)場(chǎng)總線的一種，它是一種架構(gòu)開放、廣播式的新一代網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，稱為控制器局域網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線。CAN網(wǎng)絡(luò)原本是德國(guó)Bosch公司為歐洲汽車市場(chǎng)所開發(fā)的。CAN推出之初是用于汽車內(nèi)部測(cè)量

21、和執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。例如汽車剎車防抱死系統(tǒng)、安全氣囊等。對(duì)機(jī)動(dòng)車輛總線和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的需求有許多相似之處，即能夠以較低的成本、較高的實(shí)時(shí)處理能力在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下可靠地工作。因此CAN總線可廣泛應(yīng)用于離散控制領(lǐng)域中的過(guò)程監(jiān)測(cè)和控制，特別是工業(yè)自動(dòng)化的底層監(jiān)控，以解決控制與測(cè)試之間的可靠和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。</p><p>　　1.2 相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀 </p><p>　　由于各個(gè)國(guó)家各

22、個(gè)公司的利益之爭(zhēng)，雖然早在1984年國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)/國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（IEC/ISA）就著手開始制定現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)，至今統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)仍未完成。很多公司也推出其各自的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，但彼此的開放性和互操作性還難以統(tǒng)一。目前現(xiàn)場(chǎng)總線市場(chǎng)有著以下的特點(diǎn)：</p><p>　　1多種現(xiàn)場(chǎng)總線并存： </p><p>　　目前世界上存在著大約四十余種現(xiàn)場(chǎng)總線，如法國(guó)的FIP，英國(guó)的ERA，德國(guó)西門子公司

23、Siemens的ProfiBus，挪威的FINT，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus，RoberBosch公司的CAN，Rosemounr公司的HART，CarloGarazzi公司的Dupline，丹麥ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI，MODBus，SDS，Arcnet，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織-基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF：FieldBusFound

24、ation，WorldFIP，BitBus，美國(guó)的DeviceNet與ControlNet等等。這些現(xiàn)場(chǎng)總線大都用于過(guò)程自動(dòng)化、醫(yī)藥領(lǐng)域、加工制造、交通運(yùn)輸、國(guó)防、航天、農(nóng)業(yè)和樓宇等領(lǐng)域，大概不到十種的總線占有８０％左右的市場(chǎng)。</p><p>　　2各種總線都有其應(yīng)用的領(lǐng)域 </p><p>　　每種總線大都有其應(yīng)用的領(lǐng)域，比如FF、PROFIBUS-PA適用于石油、化工、醫(yī)藥、冶金等行

25、業(yè)的過(guò)程控制領(lǐng)域；LonWrks、PROFIBUS-FMS、DevieceNet適用于樓宇、交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域；DeviceNet、PROFIBUS-DP適用于加工制造業(yè)，而這些劃分也不是絕對(duì)的，每種現(xiàn)場(chǎng)總線都力圖將其應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大，彼此滲透。</p><p>　　3每種現(xiàn)場(chǎng)總線都有其國(guó)際組織和支持背景 </p><p>　　大多數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)總線都有一個(gè)或幾個(gè)大型跨國(guó)公司為背景并成立相應(yīng)的國(guó)際

26、組織，力圖擴(kuò)大自己的影響、得到更多的市場(chǎng)份額。比如PROFIBUS以Siemens公司為主要支持，并成立了PROFIBUS國(guó)際用戶組織WorldFIP以Alstom公司為主要后臺(tái)，成立了WorldFIP國(guó)際用戶組織。</p><p>　　4多種總線成為國(guó)家和地區(qū)標(biāo)準(zhǔn) </p><p>　　為了加強(qiáng)自己的競(jìng)爭(zhēng)能力，很多總線都爭(zhēng)取成為國(guó)家或者地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)，比如PROFIBUS已成為德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，Wo

27、rldFIP已成為法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)等。</p><p>　　5設(shè)備制造商參與多個(gè)總線組織 </p><p>　　為了擴(kuò)大自己產(chǎn)品的使用范圍，很多設(shè)備制造商往往參與不止一個(gè)甚至多個(gè)總線組織。</p><p>　　6各個(gè)總線彼此協(xié)調(diào)共存 </p><p>　　由于競(jìng)爭(zhēng)激烈，而且還沒有哪一種或幾種總線能一統(tǒng)市場(chǎng)，很多重要企業(yè)都力圖開發(fā)接口技術(shù)，使自己的總線

28、能和其他總線相連，在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中也出現(xiàn)了協(xié)調(diào)共存的局面。</p><p>　　工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用于各行各業(yè)，要求也千變?nèi)f化，使用一種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)也很難滿足所有行業(yè)的技術(shù)要求；現(xiàn)場(chǎng)總線不同于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，人們將會(huì)面對(duì)一個(gè)多種總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)共存的現(xiàn)實(shí)世界。技術(shù)發(fā)展很大程度上受到市場(chǎng)規(guī)律、商業(yè)利益的制約；技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不僅是一個(gè)技術(shù)規(guī)范，也是一個(gè)商業(yè)利益的妥協(xié)產(chǎn)物。而現(xiàn)場(chǎng)總線的關(guān)鍵技術(shù)之一是彼此的互操作性，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的統(tǒng)一是

29、所有用戶的愿望。由于CAN總線為越來(lái)越多不同領(lǐng)域采用和推廣，導(dǎo)致要求不同應(yīng)用領(lǐng)域通信報(bào)文的標(biāo)準(zhǔn)化。為此，1991年９月Philips Semiconductors制定并發(fā)布了CAN技術(shù)規(guī)范（Version2.0）。該技術(shù)規(guī)范包括Ａ和Ｂ兩部分。2.0A給出了曾在CAN技術(shù)規(guī)范版本1.2中定義的CAN報(bào)文格式，2.0B給出了標(biāo)準(zhǔn)的和擴(kuò)展的兩種報(bào)文格式。此后，1993年11月ISO正式頒布了道路交通運(yùn)輸工具－數(shù)字信息交換－高速通信控制器局部網(wǎng)

30、（CAN）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898），為控制器局部網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化，規(guī)范化推廣鋪平了道路。</p><p>　　CAN總線開發(fā)系統(tǒng)廉價(jià)，OEM用戶容易操作，許多國(guó)際上大的半導(dǎo)體廠商也積極開發(fā)出支持CAN總線的專用芯片，其中有智能CAN芯片，也有非智能CAN控制器、收發(fā)器。Motorola公司生產(chǎn)了MC68HC05X4是在68HC05微控制器上加入了CAN模塊，也稱為ＭCAN。Philips公司生產(chǎn)了P8XC592微控制

31、器上集成了CAN控制器取代了原來(lái)的I2C串行口。Philips還生產(chǎn)82C200獨(dú)立CAN控制器、82C150即CAN串行鏈接I/O（SLIO）器件、82C250 CAN收發(fā)器、P8XCE598帶有集成CAN接口的電磁兼容微控制器。Intel公司生產(chǎn)了82527獨(dú)立CAN控制器，它可通過(guò)并行總線與各種微控制器連結(jié)，也可通過(guò)串口（SP1）與無(wú)并行總線控制器如Ｍ68HC05連接。由于CAN總線的高速通信速率、高可靠性、連接方便、多主站、通訊

32、協(xié)議簡(jiǎn)單和高性能價(jià)格比等突出優(yōu)點(diǎn)，深得許多工業(yè)應(yīng)用部門的青睞，其應(yīng)用由最初的汽車工業(yè)迅速發(fā)展至數(shù)控機(jī)床、農(nóng)業(yè)機(jī)械、鐵路運(yùn)輸、糧情檢測(cè)、過(guò)程測(cè)控等各個(gè)方面。CAN在國(guó)外的發(fā)展迅速，奔馳Ｓ型轎車采用的就是CAN總線系統(tǒng)；美國(guó)商用車輛制造商們也將注意力轉(zhuǎn)向</p><p>　　CAN總線有如下基本特點(diǎn)：</p><p>　　CAN協(xié)議最大的特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，代之以對(duì)數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行

33、編碼，可以多主方式工作；</p><p>　　CAN采用非破壞性仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上傳送數(shù)據(jù)時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，有效避免了總線沖突；</p><p>　　CAN采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為８?jìng)€(gè)（CAN技術(shù)規(guī)范2.0A），數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低，重新發(fā)送的時(shí)間短；</p><p>　　

34、CAN的每幀數(shù)據(jù)都有CRC效驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?適于在高干擾環(huán)境中使用；</p><p>　　CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下，具有自動(dòng)關(guān)閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上其它操作不受影響；</p><p>　　CAN可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（成組）及全局廣播集中方式傳送和接受數(shù)據(jù)；</p><p>　　CAN總線直接通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá)10

35、KM/5Kbps，通訊速率最高可達(dá)1Mbps/40m；</p><p>　　采用不歸零碼（NRZ-Non-Return-to-Zero）編碼／解碼方式，并采用位填充（插入）技術(shù)。</p><p>　　現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是控制、計(jì)算機(jī)、通訊技術(shù)的交叉與集成，幾乎涵蓋了所有連續(xù)、離散工業(yè)領(lǐng)域，如過(guò)程自動(dòng)化、制造加工自動(dòng)化、樓半自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化等等。它的出現(xiàn)和快速發(fā)展體現(xiàn)了控制領(lǐng)域?qū)档统杀?、提高?/p>

36、靠性、增強(qiáng)可維護(hù)性和提高數(shù)據(jù)采集的智能化的要求。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)為兩個(gè)方面：一個(gè)是低速現(xiàn)場(chǎng)總線領(lǐng)域的不斷發(fā)展和完善；另一個(gè)是高速現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展。而目前現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品主要是低速總線產(chǎn)品，應(yīng)用在運(yùn)行速率較低的領(lǐng)域，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能要求不是很高。從實(shí)際應(yīng)用狀況看，大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線，都能較好地實(shí)現(xiàn)速率要求較低的過(guò)程控制。因此，在速率要求較低的控制領(lǐng)域，誰(shuí)都很難統(tǒng)一整個(gè)市場(chǎng)。就目前而言，由于FF基金會(huì)幾乎集中了世界上主要自動(dòng)化儀表制造商，其全球

37、影響力日益增加，但其在中國(guó)市場(chǎng)營(yíng)銷力度似乎不足，市場(chǎng)份額不是很高，LonWorks形成了全面的分工合作體系，在國(guó)內(nèi)有一些實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，在樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、智能通信產(chǎn)品等方面，LonWorks則具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在離散制造加工領(lǐng)域，由于行業(yè)應(yīng)用的特點(diǎn)和歷史原因，Profibus和CAN經(jīng)在這一領(lǐng)域形成了自己的優(yōu)勢(shì)，具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。國(guó)內(nèi)廠商的規(guī)模相對(duì)較小，研發(fā)能力</p><p>　　由于目前自動(dòng)化技術(shù)從單機(jī)控

38、制發(fā)展到工廠自動(dòng)化FA，發(fā)展到系統(tǒng)自動(dòng)化。工廠自動(dòng)化信息網(wǎng)絡(luò)可分為以下三層結(jié)構(gòu)：工廠管理級(jí)、車間監(jiān)控級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)，而現(xiàn)場(chǎng)總線是工廠底層設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò)。這里先介紹一下以太網(wǎng)，本文特指工業(yè)以太網(wǎng)，工業(yè)以太網(wǎng)是作為辦公室自動(dòng)化領(lǐng)域衍生的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，按習(xí)慣主要指IEEE 802.3協(xié)議，如果進(jìn)一步采用TCP/IP協(xié)議族，則采用“以太網(wǎng)+TCP/IP”來(lái)表示，其技術(shù)特點(diǎn)主要適合信息管理、信息處理系統(tǒng)，并在IT業(yè)得到了巨大的成功。在工廠管理

39、級(jí)、車間監(jiān)控級(jí)信息集成領(lǐng)域中，工業(yè)以太網(wǎng)已有不少成功的案例，在設(shè)備層對(duì)實(shí)時(shí)性沒有嚴(yán)格要求場(chǎng)合也有許多應(yīng)用。由于現(xiàn)場(chǎng)總線目前種類繁多，標(biāo)準(zhǔn)不一，很多人都希望以太網(wǎng)技術(shù)能介入設(shè)備低層，廣泛取代現(xiàn)有現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，施耐德公司就是該想法的積極倡導(dǎo)者和實(shí)踐者，目前已有一批工業(yè)級(jí)產(chǎn)品問(wèn)世和實(shí)際應(yīng)用。可是就目前而言，以太網(wǎng)還不能夠真正解決實(shí)時(shí)性和確定性問(wèn)題，大部分現(xiàn)場(chǎng)層仍然會(huì)首選現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。由于技術(shù)的局限和各個(gè)廠家的利益之爭(zhēng)，這樣一個(gè)多種工業(yè)總線技術(shù)

40、并存，以太網(wǎng)技術(shù)不斷滲透的現(xiàn)狀還會(huì)維持一段時(shí)間。用戶可以根據(jù)技術(shù)要求和實(shí)際情況來(lái)選擇所需的解決</p><p>　　2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 控制器局域網(wǎng)（CAN）總線概述 </p><p>　　2.1.1 CAN總線概述</p><p>　　CAN(Controller Area Network)是控制器局域網(wǎng)，主要

41、用于各種設(shè)備檢測(cè)及控制的現(xiàn)場(chǎng)總線。CAN總線是德國(guó)BOSCH公司20世紀(jì)80年代初為解決汽車中眾多控制與測(cè)試儀器間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。這是一種多主總線，無(wú)論是在高速網(wǎng)絡(luò)還是在低成本的節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，應(yīng)用都很廣泛。由于采用了許多新技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，其主要特點(diǎn)如下：</p><p>　　通信方式靈活，可以多種方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意一個(gè)

42、節(jié)點(diǎn)均可以在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，不分主從。</p><p>　　CAN節(jié)點(diǎn)只需對(duì)報(bào)文的標(biāo)識(shí)符濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，其節(jié)點(diǎn)可分成不同的優(yōu)先級(jí)，節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)可通過(guò)報(bào)文標(biāo)識(shí)符進(jìn)行設(shè)置，優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)最多可在134μs內(nèi)傳輸，可以滿足不同的實(shí)時(shí)要求。</p><p>　　CAN總線通信格式采用短幀格式，每幀字節(jié)數(shù)量多為8個(gè)字節(jié)，可滿足一般工業(yè)

43、領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測(cè)試數(shù)據(jù)的要求，同時(shí)，8個(gè)字節(jié)不會(huì)占用總線時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，保證了通信的實(shí)時(shí)性。</p><p>　　采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息出現(xiàn)沖突時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)退出數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，大大節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間，在網(wǎng)絡(luò)重載的情況下也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。</p><p>　　直接通信距離最大可達(dá)10 km (速率在5

44、 kb/s以下)，最高通信速率可達(dá)1 Mb/s (此時(shí)距離最長(zhǎng)為40 m)；節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個(gè),通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。</p><p>　　CAN總線采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證數(shù)據(jù)通信的可靠性，其節(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,使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。</p><p>　　控制器局域網(wǎng)（CAN） 是由ISO 定

45、義的串行通訊總線，它最初出現(xiàn)在80 年代末的汽車工業(yè)里。它的基本設(shè)計(jì)規(guī)范要求有高的位速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測(cè)出產(chǎn)生的任何錯(cuò)誤。由于CAN 串行通訊總線具有這些特性，它很自然地在汽車制造業(yè)以及航空工業(yè)中受到廣泛應(yīng)用。 </p><p>　　CAN 在微控制器之間需要互相通信,或微控制器和遠(yuǎn)程的外圍器件要互相通信的情況下,是一個(gè)理想的解決方法。在它的原始應(yīng)用環(huán)境車中，CAN&#

46、160;最初用于關(guān)鍵任務(wù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。例如，引擎管理系統(tǒng)和變速箱控制交換信息。而在這里，CAN 的短報(bào)文和有保證的報(bào)文延遲時(shí)間，允許每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的端口都能用當(dāng)前的數(shù)據(jù)工作，甚至數(shù)據(jù)的改變時(shí)間在上百個(gè)微秒時(shí)標(biāo)的情況下，也可以使用這些系統(tǒng)。都利用CAN 控制器的PeliCAN 將不需要的報(bào)文濾出，以減少主CPU 的負(fù)載。但是低成本的獨(dú)立PeliCAN 設(shè)備就允許不是實(shí)時(shí)的任務(wù)。例如，門系統(tǒng)帶

47、有窗的升降鏡子控制等，逐步成為CAN 網(wǎng)絡(luò)的一部分。實(shí)際上，傳統(tǒng)的線束CAN網(wǎng)絡(luò)在一些情況下甚至在普通的器件上,譬如剎車燈和指示燈,只是附加的節(jié)點(diǎn)代替了兩線的CAN 網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)上CAN 是一個(gè)基于微控制器的器件互相連接的網(wǎng)絡(luò)。這意味著其每個(gè)節(jié)點(diǎn)的成本并不是特別的低。最有趣的發(fā)展成果就是SLIO 模塊這個(gè)概念，它是一個(gè)單芯片，能夠在CAN 網(wǎng)絡(luò)里充當(dāng)一個(gè)沉默的輸入輸出網(wǎng)關(guān)，并把報(bào)文轉(zhuǎn)化為實(shí)

48、際的數(shù)字IO 信號(hào)。它能讀IO 引腳，并把數(shù)據(jù)當(dāng)作報(bào)文傳輸。它還能使用集成A/D 轉(zhuǎn)換器來(lái)生</p><p>　　CAN 通訊協(xié)議描述了在設(shè)備之間信息如何傳遞。它對(duì)層的定義與開放系統(tǒng)互連模型（OSI）一致。每一層與另一設(shè)備上相同的那一層通訊。實(shí)際的通訊是發(fā)生在每一設(shè)備上相鄰的兩層，而設(shè)備只通過(guò)模型物理層的物理介質(zhì)互連。CAN 的結(jié)構(gòu)定義了模型的最下面的兩層：數(shù)據(jù)鏈

49、路層和物理層。應(yīng)用層通過(guò)不同的新興協(xié)議層（專門用于特殊的工業(yè)領(lǐng)域，加上由個(gè)別CAN 用戶定義的任何合適的方案）和物理層連接。 </p><p>　　可能最好的CAN 協(xié)議工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也許就是Allen-Bradley 的DeviceNet 。它是為PLC 和智能傳感器設(shè)計(jì)的。國(guó)際上廣泛應(yīng)用的CAN 協(xié)議工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還有CANopen 和SDS。 &l

50、t;/p><p>　　物理介質(zhì)包括帶有特定終端的雙絞線。在BasicCAN 的規(guī)范中，它的傳輸速率能達(dá)到250Kbaud，而PeliCAN 能達(dá)到1Mbaud。 </p><p>　　物理層和數(shù)據(jù)鏈路層對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)是透明的，并包含在所有CAN 協(xié)議的部件中。這些部件有：帶有集成CAN 接口的微控制器，例如8051 兼容的Philips&#

51、160;P97C591 處理器和16 位的Philisp XA。82C200、 SJA1000 是一個(gè)獨(dú)立的CAN 控制器，它可以和很多微控制器直接接口。而與物理介質(zhì)連接可以用分離部件或者82C250、TJA1050 集成電路或相似的方法實(shí)現(xiàn)。SIEMENS、NEC 和NTEL 也提供獨(dú)立的CAN 控制器。</p><

52、p>　　在過(guò)去的20年的時(shí)間里，建議性標(biāo)準(zhǔn)RS-485作為一種多點(diǎn)差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎庖?guī)范，被應(yīng)用在許多不同的領(lǐng)域。作為數(shù)據(jù)傳輸鏈路，目前在我國(guó)應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線中，RS-485半雙工全雙工異步通信總線也是被各個(gè)研發(fā)機(jī)構(gòu)廣泛使用的數(shù)據(jù)通信總線。但是基于在RS-485總線上，只能有一個(gè)主機(jī)的特點(diǎn)，它往往應(yīng)用在集中控制樞紐與分散控制單元之間。由于RS-485總線本身存在的許多局限性，隨著科技的發(fā)展，RS-485的總線效率低、系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性差、

53、通訊的可靠性低、后期維護(hù)成本高、網(wǎng)絡(luò)工程調(diào)試復(fù)雜、傳輸距離不理想、單總線可掛接的節(jié)點(diǎn)少、應(yīng)用不靈活等缺點(diǎn)慢慢的暴露出來(lái)。雖然許多工程師生產(chǎn)廠商等提出了改進(jìn)的方法和建議，但都不能從根本上解決RS-485這些先天性的問(wèn)題。于是應(yīng)用RS-485的生產(chǎn)廠商開始尋求一種更好的更徹底的解決方案。CAN-bus總線在通信能力可靠性實(shí)時(shí)性靈活性易用性傳輸距離遠(yuǎn)，成本低等方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)，成為業(yè)界最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。</p><

54、p>　　據(jù)CIA統(tǒng)計(jì)，2001年僅在歐洲就銷售了超過(guò)1億個(gè)CAN-bus節(jié)點(diǎn)，幾乎淘汰了所有的RS-485系統(tǒng)。但在國(guó)內(nèi)基于歷史或者其他的原因，大多數(shù)的廠商工程師在設(shè)計(jì)產(chǎn)品工程立項(xiàng)時(shí)，第一想到的是應(yīng)用RS-485總線系統(tǒng)。這不能不說(shuō)是一種遺憾，所以在國(guó)內(nèi)的RS-485總線仍然會(huì)有一段生命周期。 </p><p>　　常用的CAN 收發(fā)器有PCA82C250/251 TJA1050

55、0;TJA1040等型號(hào)。TJA1040 TJA1050 和CA82C250/251 一樣是一個(gè)遵從ISO 11898 的高速CAN 收發(fā)器，可以在汽車電子工業(yè)控制中使用。TJA1050 的設(shè)計(jì)使用了最新的EMC 技術(shù)，它采用了先進(jìn)的絕緣硅SOI 技術(shù)進(jìn)行處理。TJA1050比 PCA82C250/251 使用分離終端的抗電磁干

56、擾性能提高了20dB。TJA1050 集中在典型的clamp-15 應(yīng)用上，使用在汽車點(diǎn)火之后仍然保持不上電狀態(tài)，因此TJA1050 不提供待機(jī)模式。特別要注意的是，器件在不上電環(huán)境下的無(wú)源特性。TJA1040 是以TJA1050 的設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，由于使用了相同的SOI 技術(shù)，TJA1040 具有和TJA1050一樣出色的EMC 特性。和TJA1050

57、0;不同的是，TJA1040 象PCA82C250 251 一樣有待機(jī)模式，可以通過(guò)總線遠(yuǎn)程喚醒。這樣TJA1040 可以認(rèn)為是PCA82C250/251 的功能上的后繼者。TJA1040 還具有和PCA82C250/251 一樣的收發(fā)器引腳和功能。所以TJ</p><p>　　CAN 的發(fā)展前景非常樂觀，盡管CAN 協(xié)議已

58、經(jīng)有15 年的歷史，但它仍處在改進(jìn)之中。從2000 年開始，一個(gè)由數(shù)家公司組成的ISO任務(wù)組織，定義了一種時(shí)間觸發(fā)CAN 報(bào)文傳輸?shù)膮f(xié)議Bernd Mueller。博士Thomas Fuehrer Bosch 公司人員和半導(dǎo)體工業(yè)專家學(xué)術(shù)研究專家將此協(xié)議定義為時(shí)間觸發(fā)通訊的CAN TTCAN 計(jì)劃。在將來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化為ISO11898-4。這個(gè)CAN&#

59、160;的擴(kuò)展已在硅片上實(shí)現(xiàn)，不僅可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制下支持報(bào)文的時(shí)間觸發(fā)傳輸而且可以實(shí)現(xiàn)CAN 的x-by-wire 應(yīng)用。因?yàn)镃AN 協(xié)議并未改變，所以在同一個(gè)的物理層上既可以實(shí)現(xiàn)傳輸時(shí)間觸發(fā)的報(bào)文，也可以實(shí)現(xiàn)傳輸事件觸發(fā)的報(bào)文。TTCAN 將為CAN 延長(zhǎng)5-10 年的生命期，現(xiàn)在CAN 在全球市場(chǎng)上仍然處于起始點(diǎn)，當(dāng)?shù)玫街匾晻r(shí)，誰(shuí)也無(wú)法預(yù)料CAN 總線系統(tǒng)

60、在下一個(gè)10 15 年內(nèi)的發(fā)展趨勢(shì)。這里需要強(qiáng)調(diào)一個(gè)現(xiàn)實(shí)，近幾年內(nèi)美國(guó)和遠(yuǎn)東的汽車廠商將會(huì)在他們所生產(chǎn)汽車的串行部件上使用CAN。另外大量潛在的新應(yīng)用，例如娛樂。正在呈現(xiàn)不僅可用于客車也可用于家庭消費(fèi)，同時(shí)結(jié)合高層協(xié)議應(yīng)用的特殊保安系統(tǒng)對(duì)CAN 的需求也</p><p>　　2.1.2 CAN總線的協(xié)議</p><p>　　依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織／開放系統(tǒng)互連參考

61、模型以及CAN的ISO／OSI參考模型的層結(jié)構(gòu)。對(duì)CAN協(xié)議的媒體訪問(wèn)控制子層的一些概念和特征做如下說(shuō)明： </p><p>　　(1)報(bào)文(Message) 總線上的報(bào)文以不同報(bào)文格式發(fā)送，但長(zhǎng)度受到限制。當(dāng)總線空閑時(shí)，任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送報(bào)文。 </p><p>　　(2)信息路由(Information Routing) 在CAN中，節(jié)點(diǎn)不使用任何關(guān)于系統(tǒng)配置的報(bào)文，比如站

62、地址，由接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)報(bào)文本身特征判斷是否接收這幀信息。因此系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，不用對(duì)應(yīng)用層以及任何節(jié)點(diǎn)的軟件和硬件作改變，可以直接在CAN中增加節(jié)點(diǎn)。 </p><p>　　(3)標(biāo)識(shí)符(Identifier) 要傳送的報(bào)文有特征標(biāo)識(shí)符(是數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的一個(gè)域)，它給出的不是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址，而是這個(gè)報(bào)文本身的特征。信息以廣播方式在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送，所有節(jié)點(diǎn)都可以接收到。節(jié)點(diǎn)通過(guò)標(biāo)識(shí)符判定是否接收這幀信息。 </p>

63、<p>　　(4)數(shù)據(jù)一致性應(yīng)確保報(bào)文在CAN里同時(shí)被所有節(jié)點(diǎn)接收或同時(shí)不接收，這是配合錯(cuò)誤處理和再同步功能實(shí)現(xiàn)的。 </p><p>　　(5)位傳輸速率不同的CAN系統(tǒng)速度不同，但在一個(gè)給定的系統(tǒng)里，位傳輸速率是唯一的，并且是固定的。 </p><p>　　(6)優(yōu)先權(quán) 由發(fā)送數(shù)據(jù)的報(bào)文中的標(biāo)識(shí)符決定報(bào)文占用總線的優(yōu)先權(quán)。標(biāo)識(shí)符越小，優(yōu)先權(quán)越高。 </p>

64、<p>　　(7)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求(Remote Data Request) 通過(guò)發(fā)送遠(yuǎn)程幀，需要數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求另一節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)?；貞?yīng)節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)幀與請(qǐng)求數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程幀由相同的標(biāo)識(shí)符命名。 </p><p>　　(8)仲裁(Arbitration) 只要總線空閑，任何節(jié)點(diǎn)都可以向總線發(fā)送報(bào)文。如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送報(bào)文，就會(huì)引起總線訪問(wèn)碰撞。通過(guò)使用標(biāo)識(shí)符的逐位仲裁可以解決這個(gè)碰撞。仲裁的

65、機(jī)制確保了報(bào)文和時(shí)間均不損失。當(dāng)具有相同標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀同時(shí)發(fā)送時(shí)，數(shù)據(jù)幀優(yōu)先于遠(yuǎn)程幀。在仲裁期間，每一個(gè)發(fā)送器都對(duì)發(fā)送位的電平與被監(jiān)控的總線電平進(jìn)行比較。如果電平相同，則這個(gè)單元可以繼續(xù)發(fā)送，如果發(fā)送的是“隱性”電平而監(jiān)視到的是“顯性”電平，那么這個(gè)單元就失去了仲裁，必須退出發(fā)送狀態(tài)。 </p><p>　　(9)總線狀態(tài) 總線有“顯性”和“隱性”兩個(gè)狀態(tài)，“顯性”對(duì)應(yīng)邏輯“0”，“隱性”對(duì)應(yīng)邏輯“1”。

66、“顯性”狀態(tài)和“隱性”狀態(tài)與為“顯性”狀態(tài)，所以兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)分別發(fā)送“0”和“1”時(shí)，總線上呈現(xiàn)“0”。CAN總線采用二進(jìn)制不歸零(NRZ)編碼方式，所以總線上不是“0”，就是“1”。但是CAN協(xié)議并沒有具體定義這兩種狀態(tài)的具體實(shí)現(xiàn)方式。 </p><p>　　(10)故障界定(Confinement) CAN節(jié)點(diǎn)能區(qū)分瞬時(shí)擾動(dòng)引起的故障和永久性故障。故障節(jié)點(diǎn)會(huì)被關(guān)閉。 </p><p>

67、　　(11)應(yīng)答接收節(jié)點(diǎn)對(duì)正確接收的報(bào)文給出應(yīng)答，對(duì)不一致報(bào)文進(jìn)行標(biāo)記。 </p><p>　　(12)CAN通訊距離最大是10公里（設(shè)速率為5Kbps）或最大通信速率為1Mbps(假設(shè)通信距離為40米)。 </p><p>　?。?3）CAN總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個(gè)。通信介質(zhì)可在雙絞線，同軸電纜，光纖中選擇。 </p><p>　?。?4）報(bào)文是短幀結(jié)構(gòu)，短的傳

68、送時(shí)間使其受干擾概率低，CAN有很好的效驗(yàn)機(jī)制，這些都保證了CAN通信的可靠性。CAN總線的物理層是將ECU連接至總線的驅(qū)動(dòng)電路。ECU的總數(shù)將受限于總線上的電氣負(fù)荷。物理層定義了物理數(shù)據(jù)在總線上各節(jié)點(diǎn)間的傳輸過(guò)程，主要是連接介質(zhì)、線路電氣特性、數(shù)據(jù)的編碼／解碼、位定時(shí)和同步的實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)。BOSCH CAN基本上沒有對(duì)物理層進(jìn)行定義，但基于CAN的ISO標(biāo)準(zhǔn)對(duì)物理層進(jìn)行了定義。設(shè)計(jì)一個(gè)CAN系統(tǒng)時(shí)，物理層具有很大的選擇余地，但必須保證CA

69、N協(xié)議中媒體訪問(wèn)層非破壞性位仲裁的要求，即出現(xiàn)總線競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，具有較高優(yōu)先權(quán)的報(bào)文獲取總線競(jìng)爭(zhēng)的原則，所以要求物理層必須支持CAN總線中隱性位和顯性位的狀態(tài)特征。在沒有發(fā)送顯性位時(shí)，總線處于隱性狀態(tài)，空閑時(shí)，總線處于隱性狀態(tài)；當(dāng)有一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送顯性位，顯性位覆蓋隱性位，使總線處于顯性狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，物理層主要取決于傳輸速度的要求。在CAN中，物理層從結(jié)構(gòu)上可分為三層：分別是物理層信令、物理介質(zhì)附件層和介質(zhì)從屬接口層。其中PLS連同數(shù)據(jù)

70、鏈路層功能由CAN控制器完成，PMA層功能由CAN收發(fā)器完成，MDI層定義了電纜和連接器的</p><p>　　CAN的數(shù)據(jù)鏈路層是其核心內(nèi)容，其中邏輯鏈路控制(Logical Link control，LLC)完成過(guò)濾、過(guò)載通知和管理恢復(fù)等功能，媒體訪問(wèn)控制(Medium Aeeess control，MAC)子層完成數(shù)據(jù)打包／解包、幀編碼、媒體訪問(wèn)管理、錯(cuò)誤檢測(cè)、錯(cuò)誤信令、應(yīng)答、串并轉(zhuǎn)換等功能。這些功能都是圍

71、繞信息幀傳送過(guò)程展開的?！?</p><p>　　在CAN2.0B的版本協(xié)議中有兩種不同的幀格式，不同之處為標(biāo)識(shí)符域的長(zhǎng)度不同，含有l(wèi)l位標(biāo)識(shí)符的幀稱之為標(biāo)準(zhǔn)幀，而含有29位標(biāo)識(shí)符的幀稱為擴(kuò)展幀。如CAN1.2版本協(xié)議所描述，兩個(gè)版本的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式和遠(yuǎn)程幀格式分別是等效的，而擴(kuò)展格式是CAN2.0B協(xié)議新增加的特性。為使控制器設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，并不要求執(zhí)行完全的擴(kuò)展格式，對(duì)于新型控制器而言，必須不加任何限制的支持標(biāo)

72、準(zhǔn)格式。但無(wú)論是哪種幀格式，在報(bào)文 </p><p>　　傳輸時(shí)都有以下四種不同類型的幀： </p><p>　　(1)數(shù)據(jù)幀(Data ) 數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)從發(fā)送器傳輸?shù)浇邮掌鳌?</p><p>　　(2)遠(yuǎn)程幀(Remote ) 總線單元發(fā)出遠(yuǎn)程幀，請(qǐng)求發(fā)送具有同一標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀。 </p><p>　　(3)錯(cuò)誤幀(Error ) 任何單

73、元檢測(cè)到總線錯(cuò)誤就發(fā)出錯(cuò)誤幀。 </p><p>　　(4)過(guò)載幀(Overload ) 過(guò)載幀用在相鄰數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀之間提供附加的延時(shí)。 </p><p>　　數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀與前一個(gè)幀之間都會(huì)有一個(gè)隔離域，即幀間間隔。數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀可以使用標(biāo)準(zhǔn)幀及擴(kuò)展幀兩種格式。</p><p>　　2.2 系統(tǒng)總體方案的確定</p><p>　　2.2.

74、1 微控制器的選取方案論證</p><p>　　方案一：利用常用的AT89C52作為主控制器，協(xié)調(diào)獨(dú)立CAN控制芯片完成本系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)。雖然51單片機(jī)目前使用最為廣泛，使用人數(shù)也非常眾多，但是由于其仍然是8位的CPU架構(gòu)，在系統(tǒng)的低功耗方面以及一些常用資源模塊方面顯得有些不足，例如沒有SPI接口，這使得它同有些獨(dú)立CAN控制比如MCP2510接口就需要用普通IO口來(lái)模擬SPI時(shí)序，不僅浪費(fèi)系統(tǒng)資源，在速度上也得

75、不到保證。 </p><p>　　方案二：選用美國(guó)德州儀器公司的超低功耗微控制器MSP430系列單片機(jī)最為主控制器，MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器公司與1996年開始向市場(chǎng)上推廣的一種16為超低功耗混合信號(hào)處理器（Mixed Signal Processor），稱之為混合信號(hào)處理器是由于其針對(duì)設(shè)計(jì)應(yīng)用，把許多模擬電路、數(shù)字電路以及微處理器和一些相關(guān)資源集成在一個(gè)芯片上，以提供“單片解決方案”，由于其獨(dú)特的超

76、低功耗設(shè)計(jì)，使得單片機(jī)在RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅有0.1uA，在活動(dòng)模式下也僅僅耗電250uA/MIPS（MIPS：每秒百萬(wàn)條指令數(shù)），另外，由于MSP430系列大部分單片機(jī)均自帶有SPI接口，從而使得它同一些帶有SPI接口的獨(dú)立CAN控制器接駁顯得十分方便，系統(tǒng)程序也大大簡(jiǎn)化，而且還可以提高CPU的利用率，增加了系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)以上和資料總結(jié)出來(lái)MSP430F149的特色如下：(1)超低功耗，MSP430F149運(yùn)行在1MHz時(shí)鐘

77、條件下時(shí)，工作電流視工作模式不同為0.1～400μA，工作電壓為1.8～3.6V；(2)具有強(qiáng)大的處理能力，采用RISC指令集，只需簡(jiǎn)潔的27條指令，高度正交指令結(jié)構(gòu)，處理內(nèi)核功</p><p>　　綜上所述：由于MSP430F149具有以上的特點(diǎn)，十分適合開發(fā)的要求，但是由于學(xué)校采用的AT89c52比較常用，所以本方案最終擬選用AT89C52作為主控制器，用來(lái)處理CAN控制器對(duì)CAN報(bào)文的發(fā)送與接收、與上位機(jī)的

78、協(xié)調(diào)以及數(shù)據(jù)傳輸工作。 </p><p>　　2.2.2 CAN控制器的選取方案論證 </p><p>　　方案一：利用Philips公司的SJA1000 CAN 控制器最為本系統(tǒng)的CAN控制器。SJA1000是一種獨(dú)立的CAN控制器，主要用于移動(dòng)目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制。它是Philips半導(dǎo)體公司PCA82C200CAN控制器（BasicCAN）的替代產(chǎn)品，而且它增加了一種新

79、的操作模式——PeliCAN，這種模式支持具有很多新特性的CAN 2.0B協(xié)議。其引腳與PCA82C200獨(dú)立CAN控制器兼容，電氣參數(shù)也與PCA82C200獨(dú)立CAN控制器兼容，因此完全可以代替PCA82C200，而且比較PCA82C200而言，可以支持CAN2.0B協(xié)議，有擴(kuò)展的接收緩沖器64字節(jié)，先進(jìn)先出（FIFO）。大多數(shù)情況下，SJA1000是與51系列單片機(jī)用總線方式來(lái)做CAN的控制應(yīng)用。如果是1M/s的通訊速度的話，實(shí)際上

80、的流量只有500多K，上述問(wèn)題產(chǎn)生的原因是SJA1000的發(fā)送緩沖區(qū)只有1個(gè)，應(yīng)用程序在判斷發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后，需要計(jì)算下一幀需要裝載的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，然后根據(jù)長(zhǎng)度再裝載相應(yīng)的數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)，這個(gè)過(guò)程要消耗掉了一定的時(shí)間（特別是標(biāo)準(zhǔn)51內(nèi)核的單片機(jī)），因此CAN總線上的數(shù)據(jù)流實(shí)際上是發(fā)</p><p>　　方案二：選用Microchip公司推出的獨(dú)立CAN總線控制器芯片MCP2510作為本系統(tǒng)的CAN控制芯片，它完全符CA

81、N總線2.0B技術(shù)規(guī)范，并帶有符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行接口。CP2510在目前市場(chǎng)上是體積最小、最易于使用也是價(jià)格最便宜的獨(dú)立CAN控制器。MCP2510 能夠發(fā)送和接收標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀以及擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀，并具有接收過(guò)濾功能和信息管理的功能。MCP2510 通過(guò)SPI接口與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1Mbps，單片機(jī)可以通過(guò)MCP2510與CAN 總線上的其它單片機(jī)進(jìn)行通信。內(nèi)含3個(gè)發(fā)送緩沖器，2個(gè)接收緩沖器，并且具有靈活的中斷能力

82、、幀屏蔽和過(guò)濾、幀優(yōu)先級(jí)設(shè)定等特性。這些特點(diǎn)使得單片機(jī)對(duì)于CAN總線的操作變得非常簡(jiǎn)單。MCP2510內(nèi)含6個(gè)接收過(guò)濾器和2個(gè)接收過(guò)濾屏蔽器，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)具有較大的靈活性。其主要功能如下：(1)完全支持CAN總線V2.0A和V2.0B技術(shù)規(guī)范，通信速率為1 Mb/s；(2)最大可編程波特率為1 Mb/s；(3)有標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀兩種數(shù)據(jù)幀可供選擇，每個(gè)幀中的數(shù)據(jù)段長(zhǎng)為0~8個(gè)字節(jié)；(4)支持遠(yuǎn)程幀，內(nèi)含3個(gè)發(fā)送緩沖器和2個(gè)接收緩沖器，并且

83、其</p><p>　　與SJA1000具有BasicCAN和PeliCAN兩種工作模式不同，MCP2510只有一種工作模式，即Normal（正常）模式。Normal模式既支持CAN的標(biāo)準(zhǔn)幀格式，也支持CAN2.0B的擴(kuò)展幀格式，這樣就可以在同一個(gè)總線上同時(shí)存在標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀而不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，在程序執(zhí)行過(guò)程中之需要在初始化時(shí)候的配置模式方式下初始化好波特率等相關(guān)參數(shù)后，設(shè)置為正常模式就可以正常通訊了。 所以本系統(tǒng)的

84、CAN控制器最終選擇為Philips公司的SJA1000 CAN 控制器最為本系統(tǒng)的CAN控制器。</p><p>　　2.2.3 CAN收發(fā)器的選取方案論證 </p><p>　　方案一：選用TJA1041作為CAN 收發(fā)器，這款高速收發(fā)器最初是用在汽車內(nèi)部，完全符合ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)， 速度高達(dá)1M標(biāo)稱波特率， 電磁輻射EME非常低， 差動(dòng)接收器具有較寬的共模范圍可抗電磁干擾EMI

85、， 不上電狀態(tài)下的無(wú)源性能， I/O 級(jí)自動(dòng)適應(yīng)主機(jī)控制器的電源電壓， 如果使用分裂終端電壓源可以穩(wěn)定隱性總線電平進(jìn)一步改善EME， 具有只聽模式， 至少可以連接110個(gè)節(jié)點(diǎn)，具有低功耗管理， 消耗電流極低的待機(jī)模式和睡眠模式，另外還有本地和遠(yuǎn)程喚醒的功能。是一款非常優(yōu)秀的CAN收發(fā)器。 </p><p>　　方案二：選用Philips 半導(dǎo)體公司的PCA82C250作為本系統(tǒng)的CAN收發(fā)器，它具有抗汽車環(huán)境下的

86、瞬間干擾，具有保護(hù)總線的能力，采用斜率控制（Slope Control），降低射頻干擾（RFI），另外CANH有高電位和懸浮狀態(tài)兩種方式，CANL有低電位和懸浮狀態(tài)兩種模式，所以可以避免像485總線那樣，如果有多個(gè)從機(jī)同時(shí)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)候出現(xiàn)的總線與電源及地之間的短路，另外CAN總線驅(qū)動(dòng)電路82C250在性能上比RS485總線驅(qū)動(dòng)電路強(qiáng)得多。在現(xiàn)今大多數(shù)工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)，基于CAN總線的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)大多數(shù)都是選用PCA82C250作為CAN的

87、收發(fā)器，所以說(shuō)無(wú)論在性價(jià)比上，還是在器件選購(gòu)方面也都非常方便。 </p><p>　　綜合以上兩種方案，兩種CAN收發(fā)器都有著非常優(yōu)秀的性能，都完全可以實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)預(yù)定的功能，但是由于PCA82C250有著更好的性價(jià)比以及更加容易購(gòu)買，所以本系統(tǒng)最終選取了PCA82C250最為CAN收發(fā)器。 </p><p>　　2.2.4 系統(tǒng)總體方案及框圖 </p><p>　　

88、由以上方案分析與論證，我們最終確定了本系統(tǒng)的總體方案，即：選用AT89C52作為主控制器，用來(lái)處理CAN控制器對(duì)CAN報(bào)文的發(fā)送與接收、與上位機(jī)的協(xié)調(diào)以及數(shù)據(jù)傳輸工作，利用Philips公司的SJA1000 CAN 控制器最為本系統(tǒng)的CAN控制器。通過(guò)飛利浦半導(dǎo)體公司的CAN收發(fā)器PCA82C250完成CAN總線上報(bào)文的收發(fā)工作，另外考慮到系統(tǒng)的向前兼容性，還保留了一套485總線，利用美信公司的MAX232作為485總線收發(fā)器，在數(shù)字量

89、信號(hào)的采集與輸出上，AT89C52有多達(dá)32個(gè)IO口。完全可以勝任，模擬量采集方面由于內(nèi)部具有12位的逐次逼近型AD，并且有多達(dá)8個(gè)通道，只需要在模擬前端設(shè)計(jì)好信號(hào)調(diào)理電路，便可以完成模擬信號(hào)量的采集。整個(gè)系統(tǒng)的方框圖：</p><p>　　如上圖，通過(guò)PCI總線同上位機(jī)進(jìn)行通信，由于上位機(jī)程序直接調(diào)用科日新工控有限公司的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，下位機(jī)的具體框圖如圖2-8所示： </p><p>　　

90、3 系統(tǒng)硬件電路器件介紹與電路分析 </p><p>　　3.1節(jié)點(diǎn)通信電路設(shè)計(jì)主要芯片介紹</p><p>　　節(jié)點(diǎn)的硬件電路的設(shè)計(jì)主要是CAN總線通信控制器與主控制器之間的接口電路，以及CAN總線收發(fā)器與物理總線之間的接口電路設(shè)計(jì)。CAN通信控制器是接口電路的核心，它主要完成CAN總線的通信協(xié)議，而CAN總線收發(fā)器的功能則是增大通信距離，保護(hù)系統(tǒng)不受干擾。本文設(shè)計(jì)了CAN總線接口電路，

91、在設(shè)計(jì)中使用的是美國(guó)ATMEL公司的AT89C52作為主控制器及PHILIPS的SJAl000總線通信控制器，在與物理總線的連接處則采用了PCA82C250收發(fā)器。以下對(duì)用到的芯片進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。</p><p>　　3．1．1 AT89C52簡(jiǎn)介</p><p>　　主控制器主要負(fù)責(zé)處理CAN總線以及MAX232接口的上層實(shí)現(xiàn)，完成兩種格式數(shù)據(jù)幀的交換過(guò)程，并且完成現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集，其運(yùn)算

92、量不是很大，所以這里選用ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗、高性能8位CMOS單片機(jī)AT89C52作為主控制器。AT89C52片內(nèi)含8KBytes的可反復(fù)擦寫1000次的Flash程序存儲(chǔ)器，256ByteS的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，32個(gè)外部雙向輸入／輸出(I／0)口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器∞l?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時(shí)計(jì)數(shù)器、串行口、外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯

93、片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。</p><p>　　選用該型單片機(jī)的原因如下：</p><p>　　1．節(jié)點(diǎn)功能比較單一，程序量不大，用該型單片機(jī)無(wú)需擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器。</p><p>　　2．作為數(shù)據(jù)采集的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都會(huì)及時(shí)的發(fā)送出去，需要的本地存儲(chǔ)容量不大，采用該型單片機(jī)無(wú)需擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。</p><p>　　3．該型單片機(jī)可以方便

94、的擴(kuò)展MAX232通信功能，為節(jié)點(diǎn)用于改造現(xiàn)有溫室控制系統(tǒng)提供方便。</p><p>　　AT89C52是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央 處理器和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的AT89C52單

95、片機(jī)可為您提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場(chǎng)合。</p><p>　　AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。  主要功能特性：  · 兼容MCS51指令系統(tǒng)        · 8k可反復(fù)擦寫(>1000次）Flash ROM 

96、 · 32個(gè)雙向I/O口        · 256x8bit內(nèi)部RAM  · 3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷        · 時(shí)鐘頻率0-24MHz  · 2個(gè)串行中斷     &#

97、160;  · 可編程UART串行通道  · 2個(gè)外部中斷源        · 共6個(gè)中斷源  · 2個(gè)讀寫中斷口線        · 3級(jí)加密位  · 低功耗空閑和掉電模式

98、        · 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能</p><p>　　3.1.2SJAl000簡(jiǎn)介</p><p>　　本設(shè)計(jì)選取了目前市場(chǎng)上使用最為普遍的PHILIPS公司的CAN總線通信控制器SJAl000和PCA82C250總線收發(fā)器，主要是考慮到SJAl000支持CAN2．0規(guī)范，而且PCA82C250則可支持多達(dá)11

99、0個(gè)節(jié)點(diǎn)，其主要用于移動(dòng)目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制，其功能特性如下</p><p>　　--和PCA82C200 獨(dú)立CAN 控制器引腳兼容</p><p>　　--和PCA82C200 獨(dú)立CAN 控制器電氣兼容</p><p>　　--PCA82C200 模式即默認(rèn)的BasicCAN 模式</p><p>　　--擴(kuò)展的接收緩沖器

100、64 字節(jié)先進(jìn)先出FIFO</p><p>　　--和CAN2.0B 協(xié)議兼容PCA82C200 兼容模式中的無(wú)源擴(kuò)展幀</p><p>　　--同時(shí)支持11 位和29 位識(shí)別碼</p><p>　　--位速率可達(dá)1Mbits/s</p><p>　　--PeliCAN 模式擴(kuò)展功能</p><p>　　--可讀/寫訪

101、問(wèn)的錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器</p><p>　　--可編程的錯(cuò)誤報(bào)警限制</p><p>　　--最近一次錯(cuò)誤代碼寄存器</p><p>　　--對(duì)每一個(gè)CAN 總線錯(cuò)誤的中斷</p><p>　　--具體控制位控制的仲裁丟失中斷</p><p><b>　　--單次發(fā)送無(wú)重發(fā)</b></p>

102、<p>　　--只聽模式無(wú)確認(rèn)無(wú)活動(dòng)的出錯(cuò)標(biāo)</p><p><b>　　志</b></p><p>　　--支持熱插拔軟件位速率檢測(cè)</p><p>　　--驗(yàn)收濾波器擴(kuò)展4 字節(jié)代碼4 字節(jié)屏蔽</p><p>　　--自身信息接收自接收請(qǐng)求</p><p>　　--24MHz 時(shí)鐘

103、頻率</p><p>　　--對(duì)不同微處理器的接口</p><p>　　--可編程的CAN 輸出驅(qū)動(dòng)器配置</p><p>　　--增強(qiáng)的溫度適應(yīng)-40-+125</p><p>　　SJA1000 是一種獨(dú)立控制器用于移動(dòng)目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制CAN 它是PHILIPS半導(dǎo)體PCA82C200 CAN 控制器BasicCAN 的

104、替代產(chǎn)品而且它增加了一種新的工作模式PeliCAN ,這種模式支持具有很多新特性的CAN 2.0B 協(xié)議。</p><p>　　3.1.3 PCA82C250收發(fā)器</p><p>　　PCA82C250是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，該器件對(duì)總線提供差動(dòng)發(fā)送能力并對(duì)CAN控制器提供差動(dòng)接收能力。這是全世界使用最廣泛的CAN收發(fā)器。其特性如下：</p><p&g

105、t;　　完全符合“ISO11898”標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　高速(可達(dá)1Mbps)</p><p><b>　　可掛110個(gè)節(jié)點(diǎn)</b></p><p><b>　　低電流待機(jī)模式</b></p><p>　　未供電的節(jié)點(diǎn)不會(huì)干擾總線 斜率控制以降低射頻干擾(RFI) 差動(dòng)接收器具有寬共模范圍

106、，有很強(qiáng)的抗電磁干擾(EMI)的能力</p><p><b>　　其優(yōu)勢(shì)主要有：</b></p><p>　　在汽車環(huán)境中，對(duì)總線提供瞬變保護(hù)</p><p>　　對(duì)電源和地的短路保護(hù)</p><p><b>　　熱保護(hù) </b></p><p><b>　　功能框

107、圖如下：</b></p><p>　　3.2 系統(tǒng)硬件總體描述</p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)硬件電路包括AT89C52 單片機(jī)的最小系統(tǒng)以及CAN總線的控制芯片sja1000接口電路和CAN收發(fā)器PCA82C250模塊,另外還有模擬量和開關(guān)量的輸入和輸出，由于本系統(tǒng)旨在完成CAN總線分布式測(cè)控系統(tǒng)的功能而并非一個(gè)實(shí)際復(fù)雜的系統(tǒng)，因此只選取了四路模擬量的輸入，用電位器的電位調(diào)整值

108、來(lái)表示，開關(guān)量的輸出也只選取了四路，用四個(gè)藍(lán)色LED的亮滅來(lái)表示，另外考慮到同以往常用總線的兼容性，還保留了485總線。CAN口和485接口選用平常電纜線作為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)，在實(shí)際中由于CAN總線的物理層沒有定義具體的傳輸介質(zhì)，所以為了提高傳輸距離，可以考慮選用雙絞線或者光纖。電源方面由于AT89C52單片機(jī)需要1.8至3.6V低電壓供電，而SJA1000需要5Ｖ供電，而MCP2510工作電壓可以從3.0V到5.5V，所以系統(tǒng)用AS111

109、7穩(wěn)壓3.3伏給AT89C52和SJA1000供電，而用7805穩(wěn)壓5V給PCA82C250供電，雖然SJA1000和PCA82C250的工作電壓不一樣，但是MCP2510的電壓范圍從3.0V一直延伸到5.5V，所以不會(huì)出現(xiàn)電平不匹配的情況。</p><p>　　3．2.1硬件設(shè)計(jì)方案</p><p>　　3.2.1.1CAN總線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。</p>