CAN總線遠(yuǎn)程傳輸可靠性的設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)

1、can總線遠(yuǎn)程傳輸可靠性的設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)能同時(shí)滿足過(guò)程控制和創(chuàng)造業(yè)的需求，成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域最為活躍的技術(shù)之一。can(controller area network，即控制器局域網(wǎng))現(xiàn)場(chǎng)總線以其多主方式，報(bào)文自動(dòng)過(guò)濾重發(fā)、極低的誤碼率和高通訊速率等特點(diǎn)，在各種低成本、高抗干擾的多機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。屬于總線式帶同步位的串行通信網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)椴杉{了許多新技術(shù)以及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，與普通的通信總線相比，can總線在遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信上具有突出的牢靠性、實(shí)時(shí)性和靈便性。can的挺直通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)lokm(通信速率5kbps以下)，通信速率最高可達(dá)lmbps(通信距離最長(zhǎng)40m)。但在實(shí)際的遠(yuǎn)程

2、傳輸過(guò)程中，通信數(shù)據(jù)受許多因素的影響，致使傳輸?shù)牟ㄐ问д?，達(dá)不到預(yù)期的效果。本文針對(duì)can總線遠(yuǎn)程傳輸?shù)睦慰啃耘e行了設(shè)計(jì)與分析。1 遠(yuǎn)程can總線傳輸牢靠性的主要影響因素(1)工作環(huán)境電磁干擾的影響。(2)傳輸介質(zhì)分布和的影響。(3)遠(yuǎn)近端阻抗不匹配的影響。(4)接收同步位端的相位變幻和幅值變幻的影響。(5)傳送波特率位時(shí)鐘設(shè)計(jì)的影響。(6)沒有發(fā)送和接收幀的節(jié)點(diǎn)之問高阻狀態(tài)性的漏電對(duì)can總線的影響。(7)對(duì)總線短路和斷路監(jiān)測(cè)處理的影響。2 遠(yuǎn)程can總線傳輸牢靠性的設(shè)計(jì)辦法系統(tǒng)運(yùn)行在復(fù)雜的電磁空問里，有外界的各種電磁場(chǎng)變幻，也有系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)元器件之間的電磁干擾。尤其工作現(xiàn)場(chǎng)的電磁場(chǎng)環(huán)境是最

3、簡(jiǎn)單干擾系統(tǒng)的牢靠性。因此系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程采納屏蔽雙絞線，它綜合了屏蔽線和雙絞線兩者的優(yōu)點(diǎn)，是較抱負(fù)的信號(hào)傳輸線，即可以抑制靜電干擾，也可以抑制電磁感應(yīng)干擾，從而提高系統(tǒng)的牢靠性。元器件是構(gòu)成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，挑選集成化程度高，抗干擾能力強(qiáng)，功耗又小的元器件尤為重要。挑選合適的是can總線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)勝利的關(guān)鍵。在綜合比較了當(dāng)前業(yè)界流行的幾款mcu終于挑選了silicon laboratories公司的c8051f040這款8位作為can總線控制系統(tǒng)的控制核心。c8051f040(以下簡(jiǎn)稱f040)單片機(jī)是徹低集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，具有與mcs一5l徹低兼容的命令內(nèi)核。因?yàn)椴杉{了流水線處理技術(shù)，

4、大大提高了命令執(zhí)行效率。f040還采納了flash rom技術(shù)，集成了jtag，實(shí)現(xiàn)了真正的在線編程和片上調(diào)試。它比sjal000等片外can總線控制器具有更好的牢靠性和集成度高的特點(diǎn)。f040的can控制器徹低硬件化，解決了cpu與can,總線控制器之間的競(jìng)爭(zhēng)沖突。在主機(jī)can節(jié)點(diǎn)中，1所示，挑選silicon laboratories公司的轉(zhuǎn)uart橋接芯片cp2101，內(nèi)部自帶512b收發(fā)緩沖器，進(jìn)一步從芯片本身上解決了數(shù)據(jù)矛盾的問題。它還有300bps至9216kbps的波特率變幻范圍，滿足高速通訊要求，外圍非常容易；另外，cp2101還集成了5v轉(zhuǎn)3v調(diào)整器，可以由usb總線來(lái)對(duì)囫圇

5、主機(jī)節(jié)點(diǎn)供電，這樣囫圇電路就只需一根usb連線即可實(shí)現(xiàn)與pc機(jī)通訊，無(wú)需額外電源，即插即用，非常便利。圖1主機(jī)can節(jié)點(diǎn)的硬件銜接圖(參見下頁(yè))aduml20l是公司生產(chǎn)的隔離器，采納平面磁場(chǎng)專利隔離技術(shù)，取消了光電耦合器中的光電轉(zhuǎn)換過(guò)程。因此aduml201具有優(yōu)于光電隔離器的優(yōu)點(diǎn)：速度更高(最高速率達(dá)到25 mbps)、功耗更低(最小工作為08ma)、性能更高、體積更小、價(jià)格更廉價(jià)、應(yīng)用更靈便(多通道數(shù)字隔離器能在同一芯片內(nèi)提供發(fā)送和接收通道)。挑選aduml201用來(lái)實(shí)現(xiàn)can控制器和can驅(qū)動(dòng)器之問的電氣隔離，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通訊牢靠性

6、，挑選ti公司生產(chǎn)的芯片sn65hvd251作為can總線。sn65hvd251能以高達(dá)1mbps的速度提供到總線的差動(dòng)傳輸功能，以及到can控制器的差動(dòng)接收功能。具有差分收發(fā)能力、高抗電磁干擾、超小封裝、低功耗性能。與f040協(xié)作用法，可使外圍電路越發(fā)簡(jiǎn)潔，2所示。can收發(fā)器sn65hvd251在canh和canl輸出引腳間并聯(lián)一個(gè)電阻，作為can總線的終端電阻，在本節(jié)點(diǎn)作can總線終端節(jié)點(diǎn)時(shí)，閉合跳線片jpl，使終端電阻工作。終端電阻值r6等于傳輸電纜的特性阻抗，普通取值120在文獻(xiàn)中有具體的研究，解決了遠(yuǎn)近端阻抗不匹配的影響。sn65hvd25l的rs引腳為斜率電阻輸入引腳，可以轉(zhuǎn)變收

7、發(fā)器工作的方式。在canh和canl上各自串聯(lián)電阻r2、r3限流，再通過(guò)一組上下拉電阻r4、r5，有效抑制反射波干擾，保持總線處于高阻態(tài)時(shí)，接收端收到的始終是“l(fā)”電平，這樣拉高信號(hào)的幅度，削減誤碼率。另外在canh年ncanl之間并聯(lián)一對(duì)方向相反的瞬態(tài)dl、d2，可防雷擊，以及防止其他總線上的瞬變干擾。3 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù)以上器件組建一個(gè)牢靠的can總線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。本系統(tǒng)由一個(gè)主機(jī)can節(jié)點(diǎn)通過(guò)usb接口與上位pc機(jī)相連，主節(jié)點(diǎn)采納總線方式與下面各個(gè)功能節(jié)點(diǎn)銜接，3所示，其中主機(jī)can節(jié)點(diǎn)主要用來(lái)發(fā)送遠(yuǎn)程控制廣播指令，收集全部節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)，并上傳給上位機(jī)軟件舉行識(shí)別分類和統(tǒng)計(jì)，它

8、實(shí)現(xiàn)了總線偵聽、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和上位機(jī)接口功能。而底層節(jié)點(diǎn)則控制系統(tǒng)中的底層設(shè)備，發(fā)送包含節(jié)點(diǎn)信息的8字節(jié)數(shù)據(jù)can總線報(bào)文，并偵聽主機(jī)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)廣播命令，調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)功能。圖3 can總線控制系統(tǒng)多機(jī)測(cè)試平臺(tái)4 試驗(yàn)分析41 不同公里數(shù)通訊結(jié)果分析將系統(tǒng)總線與模擬的1公里一5公里遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)相連。為了更好分析can總線牢靠性，使更好的觀看報(bào)文波形。將示波器chl兩端與距主節(jié)點(diǎn)0公里處相連，ch2兩端與距主節(jié)點(diǎn)5公里處相連，4所示。這樣，可以觀看到相對(duì)主機(jī)can節(jié)點(diǎn)5公里通訊的近端(chl)和遠(yuǎn)端(ch2)的通訊報(bào)文波形。chl測(cè)試出來(lái)的波形位于上端，ch2測(cè)試的波形位于下端。chl端標(biāo)識(shí)為1的一段波形是主

9、節(jié)點(diǎn)發(fā)出的報(bào)文，2是位于ch2端底層節(jié)點(diǎn)接收到的報(bào)文，4是底層節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)報(bào)文，3是主機(jī)can節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)，稱1和2、3和4為一組報(bào)文。每幀數(shù)據(jù)的最后一位是應(yīng)答位。每?jī)蓭瑘?bào)文之間有時(shí)光間隙，其中一段是主機(jī)can節(jié)點(diǎn)和上位pc機(jī)處理數(shù)據(jù)的時(shí)光，另外一段是底層測(cè)量節(jié)點(diǎn)處理數(shù)據(jù)的時(shí)光。經(jīng)過(guò)觀看，近端發(fā)送的1報(bào)文經(jīng)過(guò)5公里距離到遠(yuǎn)端接收到的2報(bào)文的幅值發(fā)生了衰減；同樣近端收到的3報(bào)文也在遠(yuǎn)端4報(bào)文的幅值基礎(chǔ)上發(fā)生衰減。分離測(cè)試1公里到4公里通訊的波形圖，可以發(fā)覺通訊距離越長(zhǎng)，幅值衰減得越多。在其他條件不變的狀況下，分離對(duì)1公里一5公里做試驗(yàn)，發(fā)覺遠(yuǎn)程通訊距離的變幻會(huì)對(duì)報(bào)文傳輸速率有影響但很小，將

10、得出的數(shù)據(jù)制表如表1由表1可見，1公里處傳輸速率最大，每秒傳輸132972i幀，即00752秒傳輸一幀數(shù)據(jù)，所謂一幀實(shí)際一次發(fā)送，一次接收，對(duì)于can總線實(shí)際是2幀。隨著傳輸距離的增大，傳輸速率稍有減小的趨勢(shì)，解釋遠(yuǎn)程傳輸有一定的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延， 但是在低波特率下影響不大。42 相同公里數(shù)不同測(cè)試點(diǎn)通訊結(jié)果接下來(lái)以通訊5公里距離為例，觀看將chl兩端銜接到0公里處的測(cè)試點(diǎn)，ch2兩端銜接到1公里、2公里、3公里、4公里、5公里處的測(cè)試點(diǎn)，可以看到報(bào)文波形幅值發(fā)生了相應(yīng)的變幻。經(jīng)過(guò)1公里的衰減，同一組報(bào)文幅值降低了約o2v；2公里距離的通訊會(huì)造成同一組報(bào)文幅值上發(fā)生約04v的變幻；同理3公里、4公里、

11、5公里傳輸同一組報(bào)文分離發(fā)生了06v、08v和lv的幅值衰減。因此可以得出結(jié)論：同一組報(bào)文每經(jīng)過(guò)l公里距離通訊，報(bào)文信號(hào)的幅值即發(fā)生02v的衰減。43 can收發(fā)器sn65fivd251工作電壓的影響在試驗(yàn)的過(guò)程中，觀看到sn65hvd251工作電壓vcc端的大小對(duì)于傳輸距離的影響很大，經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)，得出1-5公里距離勝利通訊的vcc臨界電壓值(精確到o1v)，所謂臨界電壓值是在確定距離內(nèi)能正常傳送數(shù)據(jù)的最小值。如表2所示。從表中可以得出，保證l公里勝利通訊的前提是vcc端電壓大于等于36v。vcc端電壓越高，可以通訊的距離越遠(yuǎn)，在1-5公里試驗(yàn)中，每增強(qiáng)1公里，vcc端電壓相應(yīng)提高了約03

12、v。最高vcc不能高過(guò)sn65hvd251的最高工作電壓7v。遠(yuǎn)程通訊距離對(duì)于報(bào)文信號(hào)的幅值有比較大的影響，每公里約衰減o2v；同時(shí)can收發(fā)器sn65hvd251的輸入電壓對(duì)于遠(yuǎn)程通訊距離有一定的影響，確保在電壓正常范圍內(nèi)的高電壓輸入可以提高系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通訊距離。電源電壓每提高03v可延伸1公里，而增強(qiáng)1公里損耗02v，余下的01v由驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部所消耗了。5 can總線遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò)的性能總結(jié)can總線傳輸距離在驅(qū)動(dòng)芯片工作電壓和傳送波特率確定之后，主要打算如下二個(gè)因素：(1) 發(fā)送端的應(yīng)答位的隱性電壓和接收端把隱形變成顯性電平以后又傳送到發(fā)送端時(shí)的電平差值；(2)發(fā)送端發(fā)的應(yīng)答位到接收端被確認(rèn)后又發(fā)回到發(fā)送端時(shí)該位相位變幻。前者電平差值為06v，后者不能滯后每位的時(shí)光的一半。06v電平差比rs485、rs422識(shí)別“l(fā)”和“0”差值100mv要大無(wú)數(shù)。這也就是說(shuō)同樣傳送條件下，rs485比can總線傳送距離遠(yuǎn)。同樣rs485、rs422因閾值過(guò)小，易受干擾。另外can總線其他性能優(yōu)于rs485和rs422，如crc硬化，可以多主通訊機(jī)構(gòu)，以及多層已硬化的上層協(xié)議等。rs485的誤碼率107，can總線誤碼率可達(dá)2×10一ll。因此要提高遠(yuǎn)程傳送牢靠性可以實(shí)行如下辦法：(1)增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)芯片的工作電壓。(2)降低發(fā)送的波特率，削