CAN總線在智能儀表中的應(yīng)用

1、題目：CAN 總線在智能儀表中的應(yīng)用Application of CAN Bus in Intelligent Instrument學(xué) 院 電子信息工程學(xué)院 專 業(yè) 導(dǎo)航、制導(dǎo)及其控制姓 名 學(xué) 號 2014年6月CAN 總線在智能儀表中的應(yīng)用摘 要隨著微電子技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展,現(xiàn)場總線技術(shù)日益成為國內(nèi)外各個行業(yè)的關(guān)注焦點。CAN現(xiàn)場總線作為一種有效支持分布式控制和實時控制的技術(shù),以其穩(wěn)定性好、可靠性高、抗干擾能力強、通訊速率高、維護成本低及其獨特的設(shè)計越來越受到人們的重視,并被公認為最有前途的現(xiàn)場總線之一。隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的迅猛發(fā)展,傳統(tǒng)的自動化儀表受到嚴(yán)重挑戰(zhàn),取而代之的將是具有開放性的現(xiàn)場

2、總線儀表,基于CAN協(xié)議的現(xiàn)場總線儀表的研究與開發(fā)具有非?，F(xiàn)實的意義。為了順應(yīng)儀表發(fā)展的要求,文章在原有檢測儀設(shè)計的基礎(chǔ)上,由RS一485通訊方式增加了CAN總線的通訊功能,研究了在智能儀表中嵌入ACN總線的實踐途徑。探索在不增加更多成本、利用有限機內(nèi)空間和資源的狀態(tài)下,逐步完善儀表功能,增加其市場競爭力。文中詳細介紹了儀表的CAN總線通信的實現(xiàn)過程,對AT89C55單片機以及其集成的CAN控制器SJA1000進行了探究,并以它為處理器進行硬件設(shè)計,使CAN總線的通訊更加直觀。本文在分析論述了CAN總線技術(shù)的有關(guān)性能特點及CAN協(xié)議規(guī)范后,完成了CAN通信卡的電路設(shè)計?；贑AN協(xié)議的現(xiàn)場總線

3、儀表的穩(wěn)定性、實時性都比傳統(tǒng)儀表優(yōu)越,基于CAN現(xiàn)場總線儀表的監(jiān)控系統(tǒng)在容錯處理、數(shù)據(jù)交換、系統(tǒng)管理、抗環(huán)境干擾等方面都比傳統(tǒng)儀表組成的系統(tǒng)功能強。關(guān)鍵詞:CAN總線、智能儀表、SJA1000 、CAN總線控制器。Application of CAN Bus in Intelligent InstrumentAbstractWith developing and appearing of micro-electronics technology,FieldbusTechnology has already attracted attention of all industries at hom

4、e and baorad.CAN fieldbus is a technology which efficiently supports distribut real一time with a very high level of security. It attracted attention with a very high level of capability and a very high level of security and a very better of anti一jampping and a very fast of communication speed and a v

5、ery low of maintenance cost and a particular design.It was regarded replaced with the instrument based on fieldbus. It is realistic meaning to research and develop instrument based on fieldbus. For the request of instrument development, this paper adds CAN communication to RS一485 communication based

6、 on the intrinsic design of PH insurtment. It researches the approach that insets CAN bus to intelligent instrument . It explores to consummate the instrument functions and to increase competitive abilities based on using restrieted space and resource of CPU . At the same time, it intorduces the Pri

7、nciple of the CAN communication and communicational protocol. It also introduces the constitution of microcomputer AT89C55, CAN controller SJA1000 and CAN transceiver. The design of communication module and PH instrument based on CAN fieldbus is discussed in detail. The software has realized that PC

8、 computer manage and control the instrument based on CAN fieldbus in the CAN communication module.It is proved that stability and real一time of instruments based on CAN fieldbus are better than traditional insturments. The error一delaying and data一switching and system一managing and anti一jamming of cont

9、rol system based on CAN fieldbus instruments are better than the system based on traditional insturments.Key words: CAN bus; intelligent insturment;SJA1000 CAN bus controller第1章 CAN總線技術(shù)介紹1.1 CAN總線技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀控制器局部網(wǎng)(CAN一Controller Area Newtork)屬于現(xiàn)場總線的范疇,它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN采用雙線串行通信方式工作。具有強有力的檢錯功能

10、,可在高噪聲干擾環(huán)境中使用,具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能、多個單片微機可通過CAN的控制器掛到CAN總線上,形成多主機局部控制網(wǎng)。CAN的應(yīng)用范圍遍及從高速網(wǎng)絡(luò)到低成本的多線路網(wǎng)絡(luò)，CAN的這些卓越特性以及極高的可靠性和獨特的設(shè)計,特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互聯(lián),但由于它的優(yōu)良性能 ,它己在工業(yè)自動化、各種控制設(shè)備、交通工具、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境控制等各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。因此,越來越受到工業(yè)界重視,并已被公認為最有前途的現(xiàn)場總線之一，可以預(yù)料,控制器局域網(wǎng)在我國迅速發(fā)展和普及是指日可待的。1.2 CAN 總線的工作原理當(dāng)CAN總線上的一個儀表發(fā)送數(shù)據(jù)時,它以報文形式廣播給網(wǎng)絡(luò)中所有儀表，對每個儀

11、表來說,其報文開頭的F1個位稱為標(biāo)識符,定義了報文的優(yōu)先級,這種報文格式稱為面向內(nèi)容的編址方案。在同一系統(tǒng)中標(biāo)識符是唯一的,不可能有兩個儀表發(fā)送具有相同標(biāo)識符的報文。當(dāng)一個儀表要向其它儀表發(fā)送數(shù)據(jù)時,該儀表的CPU將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和自己的標(biāo)識傳送給本儀表的CAN芯片,并處于準(zhǔn)備狀念,當(dāng)它收到總線分配時,轉(zhuǎn)為發(fā)送報文狀態(tài)。CAN芯片將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議組織成一定的報文格式發(fā)出,這時網(wǎng)上的其它儀表處于接收狀態(tài)。每個處于接收狀態(tài)的儀表對接收到的報文進行檢測,判斷這些報文是否是發(fā)給自己的,以確定是否接收它,因此很容易建立高水準(zhǔn)的控制系統(tǒng)并靈活地進行配置。1.3 CAN 總線的性能特點CAN總線使用的通信介質(zhì)為

12、雙絞線及其它電纜 ,鑒于其極高的可靠性和獨特的設(shè)計以及高速率,傳輸距離較長的特點,特別適合工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備的互聯(lián),概括起來,它具有如下特點: 1)以N的通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖,選擇靈活。2)以N的直接通信距離最遠可達10km(速率SKbps以下),通信速率最高可達1MbPs (此時通信距離最長為40m)。3)以N為多主從工作方式,網(wǎng)絡(luò)上任意一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其他接點發(fā)送信息,而不分主從,通信方式靈活,且無需站地址等節(jié)點信息,利用這一特性可方便地構(gòu)成多機備份系統(tǒng)。4)網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點信息可分成不同的優(yōu)先級,可以滿足不同的實時要求,高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)最多可在134us內(nèi)得到傳輸

13、。5)CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù),當(dāng)多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時,優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動退出發(fā)送,而高優(yōu)先級的節(jié)點可以不受影響地繼續(xù)傳送數(shù)據(jù),從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間。6)CAN只需通過報文濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳播接收數(shù)據(jù)。1.4 CAN總線的性能評價CAN現(xiàn)場總線技術(shù)同其它較高級的網(wǎng)絡(luò)一樣,在其設(shè)計、應(yīng)用和運行過程中,有其網(wǎng)絡(luò)性能問題。在CAN網(wǎng)絡(luò)性能分析中,以下幾項性能指標(biāo)用于描述了CAN網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)性能。1.網(wǎng)絡(luò)吞吐量:單位時間內(nèi)通過總線上某一點成功發(fā)送的比特的平均數(shù)。2網(wǎng)絡(luò)負載:單位時間里可供發(fā)送的比特平均數(shù)。3.平均傳輸時延:單位字節(jié)或比特的信息

14、(含重發(fā)信息)的平均滯留時間。1.5 CAN總線的仲裁機制CAN總線采用了CSMACD協(xié)議并引入非破壞性優(yōu)先權(quán)逐位仲裁機制解決媒體共享問題,使報文沖突的過程變?yōu)閮?yōu)先權(quán)仲裁的過程,提高了信道使用率,解決了報文傳輸?shù)难訒r不確定性。非破壞性優(yōu)先權(quán)逐位仲裁規(guī)則如下:(1)預(yù)發(fā)送幀的節(jié)點當(dāng)總線空閑時同時發(fā)送幀且同步于SOF的上升沿;(2)各幀的標(biāo)識符字段在總線同時相遇,借助總線使標(biāo)識符字段逐位“線與”,根據(jù)其結(jié)果進行沖突仲裁;(3)如果發(fā)送節(jié)點沒有檢測到?jīng)_突,則繼續(xù)發(fā)送下一位;(4)如果發(fā)送節(jié)點檢測到?jīng)_突,則立即中斷,不再繼續(xù)后面各位的發(fā)送;(5)各標(biāo)識符字段的逐位“線與”結(jié)束后,未檢測到?jīng)_突的節(jié)點獲得

15、優(yōu)先發(fā)送權(quán),可以發(fā)送數(shù)據(jù)幀后面的字段;(6)檢測到?jīng)_突的節(jié)點,不能發(fā)送后面的數(shù)據(jù)字段,而等待下一次發(fā)送。表1.1 Can總線逐位仲裁規(guī)則1.6 CAN總線協(xié)議的技術(shù)規(guī)范1.6.1 CAN的體系結(jié)構(gòu)CAN總線是開放系統(tǒng),處于對實時性和降低成本等因素的考慮,CAN總線只采用了其中最關(guān)鍵的三層,即物理層,數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層,其中數(shù)據(jù)鏈路層又進一步分為邏輯鏈路控制子層LCL和媒體訪問控制子層MAC,而應(yīng)用層則包含150/051模型中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層外其余各層的功能。CAN總線物理層的主要內(nèi)容規(guī)定了通訊介質(zhì)的機械、電器、功能和規(guī)程特性。CAN是一個多主機局部網(wǎng),它的串行通信鏈路采用一條多個單元均可連接

16、的總線。理論上,單元數(shù)目是無限的,實際的單元總數(shù)受限于延遲時間或總線的電氣負載。接收器在兩個相位緩沖段之間采樣輸入位值。而兩個相位緩沖段長度可自由控制,以保證采樣的可靠性。圖1.1 CAN總線體系結(jié)構(gòu)圖數(shù)據(jù)鏈路層主要功能是將要發(fā)送的數(shù)據(jù)進行包裝,即加上差錯校驗位、數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的控制信息、頭尾標(biāo)記等附加信息組成數(shù)據(jù)幀,從物理信道上發(fā)送出去;在接收到數(shù)據(jù)后,再把附加信息去掉,得到通訊數(shù)據(jù)。CAN總線的數(shù)據(jù)鏈路層包括邏輯控制子層LCL和媒體訪問控制子層MAC。1.6.2 CAN的報文傳送和幀結(jié)構(gòu)1.連接和傳送方式CAN是一種多主機串行通信局域網(wǎng)絡(luò),其通信鏈路采用一條多個單元均可連接的總線。連入的單元

17、數(shù)主要取決于總線驅(qū)動電路,目前可達110個。CAN總線中,各節(jié)點使用相同的位速率。2.報文CAN總線以報文為單位進行信息傳送。報文中包含標(biāo)識符功,它也標(biāo)志了報文的優(yōu)先權(quán)。CAN總線上各個節(jié)點都可主動發(fā)送。CAN系統(tǒng)中,一個CAN節(jié)點不使用有關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的任何信息(如站地址等)。報文中的標(biāo)識符DI并不指出報文的目的地址,而是描述數(shù)據(jù)的含義。CAN支持4種不同類型報文幀。 (1)數(shù)據(jù)幀 (2)遠程幀3)出錯幀 (4)超載幀1.7 CAN 總線在智能儀表中的應(yīng)用前景CAN 總線具有高性能、高可靠性、高性價比、連接方便、實時性好以及獨特的設(shè)計等特點，CAN 總線廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中的各檢測和執(zhí)行機構(gòu)之間

18、的數(shù)據(jù)通信，利用已經(jīng)投入的智能儀表進一步改造，利用 CAN 總線負載能力大，能夠完成現(xiàn)場總線在廠礦通信方面的應(yīng)用，替代 RS-485 等通信方式，突出現(xiàn)場總線在通信中易操作、成本低等優(yōu)點，達到產(chǎn)品的實用和推廣，前景是逐步實現(xiàn) CAN 總線網(wǎng)絡(luò)化的普及，令使用范圍擴大化，最大限度的發(fā)揮其功效。 第2章 智能儀表CAN通訊的硬件設(shè)計2.1智能儀表整體的硬件構(gòu)成在基于CAN總線的智能檢測儀表中,檢測儀表的數(shù)據(jù)采集、信號處理以及液晶顯示等硬件設(shè)計基礎(chǔ)上設(shè)計CAN通訊進行研究和探討。儀表具體的工作過程為:由溫度傳感器把溫度信號經(jīng)橋路采樣之后送信號處理,之后這兩路模擬信號送AD/轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,單片機對其

19、進行濾波,并完成定位補償、斜率補償及溫度補償(以25攝氏度為基準(zhǔn)),最后由LCD顯示并且經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換成4一20mA的模擬信號輸出。系統(tǒng)采用了電可擦除可編程的只讀EZPORM來保存需要永久記憶的數(shù)據(jù)和固定時刻內(nèi)的數(shù)據(jù)等,并且加入了“看門狗”電路來監(jiān)視CUP的工作。在通信方面,系統(tǒng)充分利用CAN總線在通信方面的優(yōu)點,在RS一485總線基礎(chǔ)上使用CAN總線進行通信,使用了CAN適配卡并自定義了應(yīng)用層的通訊協(xié)議來實現(xiàn)上下位機之間的數(shù)據(jù)通信及命令傳輸。在系統(tǒng)中,通訊的數(shù)據(jù)主要包括實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)(包括溫度數(shù)據(jù)、以及時間數(shù)據(jù)等)和報警信息等;傳輸?shù)拿钪饕ㄐr命令、歷史數(shù)據(jù)查詢命令等。圖2.1 儀

20、表電路原理圖2.2主要器件介紹2.2.1 CAN控制器SJAI000簡介SAJ1000是理想的新一代產(chǎn)品,它適用于汽車和通用工業(yè)環(huán)境控制器局域網(wǎng)(ACN)的獨立控制器,同時實現(xiàn)了新的運行方式一增強型CAN方式,支持有新功能的CAN2.OB協(xié)議。2.2.2 CAN收發(fā)器PCA82C250簡介CPA82C25O是控制器局域網(wǎng)以N協(xié)議控制器和物理總線之間的接口。它主要應(yīng)用在高速應(yīng)用的場合,速度可達1MbpS。PCA82C250為總線提供差動的發(fā)送功能,為CAN控制器提供差動的接收功能。對于CAN控制器及帶有CAN總線接口的器件,82C250并不是必須使用的器件,因為多數(shù)以N控制器均具有配置靈活的收發(fā)

21、器件,并允許總線故障,只是驅(qū)動能力只允許20一30個節(jié)點連接在一條總線上。而82C250支持多達110個節(jié)點,并能以MIbPs的速率工作于惡劣的電氣環(huán)境下。利用82C250還可方便地在CAN控制器與收發(fā)器之間建立光電隔離,以實現(xiàn)總線上各個節(jié)點之間的電氣隔離。2.3 CAN通訊模塊2.3.1 CAN智能節(jié)點的總體設(shè)計1.硬件系統(tǒng)組成原理及通信過程所謂對等式通信,就是單片機多機系統(tǒng)中任一節(jié)點均可主動地與其它節(jié)點直接交換數(shù)據(jù),而無須經(jīng)過第三方。由于CAN為多主方式工作,因此網(wǎng)絡(luò)上任意一個節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點發(fā)送信息,而不分主從。系統(tǒng)中的每個節(jié)點由單片機、CAN控制器和CAN收發(fā)

22、器組成。單片機主要用于系統(tǒng)的計算及信息處理等功能;CAN控制器主要用于系統(tǒng)的通信;CAN收發(fā)器主要用于增強系統(tǒng)的驅(qū)動能力。系統(tǒng)的發(fā)送過程是:單片機將外圍設(shè)備或其它節(jié)點傳送來的信息處理后,按以N規(guī)范規(guī)定的格式將其寫入以N控制器的發(fā)送緩沖區(qū),并啟動發(fā)送命令,把數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上。接收過程是:CAN控制器從CAN總線上自動接收數(shù)據(jù),并經(jīng)過濾后存入CAN接收緩沖區(qū),且向單片機發(fā)出中斷請求,此時單片機可從CAN接收緩沖區(qū)讀取要接收的數(shù)據(jù)。圖2.2 系統(tǒng)組成原理圖2.CAN總線系統(tǒng)節(jié)點的構(gòu)成該系統(tǒng)節(jié)點由CAN控制器和CAN驅(qū)動器組成。以N總線系統(tǒng)智能節(jié)點,采用AT89C55作為節(jié)點的微處理器,在CAN

23、總線通信接口中,采用PHILIPS公司的SJA1000和82C250芯片,SJA1000是獨立的CAN通信控制器,82C250為高性能CAN總線收發(fā)器。該智能節(jié)點以ATMEL公司的AT89C55為核心,它是以51為內(nèi)核的單片機。它包括32個1/0口,三個定時器、8個中斷、8kFlash存儲器、256內(nèi)部RAM。它可以對現(xiàn)場溫度、電壓信號采集,通過AD/電路完成對現(xiàn)場模擬信號的轉(zhuǎn)換,CAN總線網(wǎng)絡(luò)主要完成把采集信號傳給上位機和接收上位機的控制信號。為了實現(xiàn)CAN的通信功能,硬件電路設(shè)計了有CAN通信控制器SJA100O和CAN總線接口電路82C250組成的CAN通信電路。同時為了提高他們的抗干擾

24、能力,在他們之間加入了光電隔離電路,采用DC/DC電路提供獨立電源。2.3.2 CAN總線通信接口電路以N總線系統(tǒng)智能節(jié)點硬件電路原理圖主要由四部分構(gòu)成,微控制器AT89C55,獨立CAN通信控制器SJA100O,CAN總線收發(fā)器82C250和高速光電禍合器6N137。微處理器AT89C55負責(zé)SJA1000的初始化,通過控制SJAIO00實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送等通信。圖2.3 CAN 總線系統(tǒng)智能節(jié)點硬件電路原理圖在硬件設(shè)計中為了增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力,SJA1000的TOX和ROX并不是直接與82C250的TXD和RXD相連,而是通過高速光電禍合器6N137后與82C250相連,這樣

25、就很好地實現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點之間的電氣隔離,不過需特別說明的一點是光禍部分電路所采用的兩個電源Vc。和VD。必須完全隔離,否則采用光禍也就失去了意義。82C250與CAN總線的接口部分也采取了一定的安全和抗干擾措施,82C250的以HN和CANL引腳各自通過1個5。的電阻與以N總線相連,電阻可起到一定的限流作用,保護82C250免受過流的沖擊,CAHN和CANL與地之間并聯(lián)了2個3OpF的小電容,可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的作用,另外在兩根以N總線接入端與地之間分別反接了一個保護二極管,當(dāng)CAN總線有較高的負電壓時,通過二極管的短路可起到一定的過壓保護作用。82C250

26、的RS腳上與地之間的電阻Rs稱為斜率電阻,它的取值決定了系統(tǒng)處于高速工作方式還是斜率控制方式,把該引腳直接與地相連,系統(tǒng)將處于高速工作方式,在這種方式下,為避免射頻干擾,建議使用屏蔽電纜作總線;而在波特率較低,總線較短時,一般采用斜率控制方式,上升及下降的斜率取決于RS的阻值,實驗數(shù)據(jù)表明15一ZOOK。為RS的較理想的取值范圍,在這種方式下,可以使用平行線或雙絞線作總線。3總線兩端應(yīng)接有兩個120。的電阻,對于匹配總線阻抗起著相當(dāng)重要的作用,忽略掉它們,會使數(shù)據(jù)通信的抗干擾及可靠性大大降低,甚至無法通信。為了CAN與單片機之間時序的同步,一般采用CAN控制器給單片機提供時鐘信號,此時時鐘信號

27、對CHMOS型單片機應(yīng)接XTALI引腳,對MHOS型單片機應(yīng)接XTALZ引腳。第3章 軟件設(shè)計CAN 總線節(jié)點的軟件設(shè)計主要包括：CAN 節(jié)點初始化，信息的接受和發(fā)送，要將 CAN總線應(yīng)用于通信任務(wù)比較復(fù)雜的系統(tǒng)中，還需詳細了解有關(guān)CAN 總線錯誤處理、總線脫離處理、接受濾波處理、波特率參數(shù)的設(shè)置和自動檢測以及 CAN 總線通信距離和節(jié)點數(shù)的計算等方面的內(nèi)容。3.1 初始化子程序 SJA1000 的初始化只有在復(fù)位模式下才可以進行，初始化包括工作方式的設(shè)置，接受濾波方式的設(shè)置，接受屏蔽寄存器 AMR 和接受代碼寄存器 ACR 的設(shè)置，波特率參數(shù)設(shè)置和中斷允許寄存器 IER 的設(shè)置等，流程圖如圖所示。圖3.1 SJA1000 的初始化流程圖3.2 信息接受和發(fā)送子程序圖3.2 發(fā)送/接受中斷服務(wù)程序流程圖第4章 結(jié)論論文在闡述并研究了自動控制儀表的變