基于CAN總線的工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、基于CAN總線的工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)楊智偉1，孫明21 北京郵電大學(xué)自動化系 北京 （100876）2 北京青云航空儀表有限公司 北京 （100086）E-mail：yang.zhiwei摘 要：CAN(Controller Area Network）總線是一種使用CAN 協(xié)議的串行通信網(wǎng)絡(luò)。Silicon Laboratories公司的單片機(jī)C8051F040是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，而且內(nèi)部集成了CAN控制器。文中采用CAN總線，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種穩(wěn)定可靠的工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：工業(yè)控制；CAN總線；RS2321. 引 言隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)及集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，

2、工業(yè)控制系統(tǒng)已成為計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中最具活力的一個(gè)分支，并取得了巨大進(jìn)步。由于對系統(tǒng)可靠性和靈活性的高要求，工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展主要表現(xiàn)為：控制面向多元化，系統(tǒng)面向分散化，即負(fù)載分散、功能分散、危險(xiǎn)分散和地域分散。 典型的分散式控制系統(tǒng)由現(xiàn)場設(shè)備、接口與計(jì)算設(shè)備以及通信設(shè)備組成?，F(xiàn)場總線（FIELDBUS）能同時(shí)滿足過程控制和制造業(yè)自動化的需要，因而現(xiàn)場總線已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域中最為活躍的一個(gè)領(lǐng)域?，F(xiàn)場總線的研究與應(yīng)用已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域的熱點(diǎn)。盡管目前對現(xiàn)場總線的研究尚未能提出一個(gè)完善的標(biāo)準(zhǔn)，但現(xiàn)場總線的高性能價(jià)格比將吸引眾多工業(yè)控制系統(tǒng)采用。同時(shí)，正由于現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，也使得現(xiàn)

3、場總線的應(yīng)用得以不拘一格地發(fā)揮，并將為現(xiàn)場總線的完善提供更加豐富的依據(jù)?？刂破骶植烤W(wǎng) CAN（Controller Area Network）正是在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生的。CAN具有十分優(yōu)越的特點(diǎn)，使人們樂于選擇，這些特性包括：低成本、極高的總線利用率、很遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)傳輸距離（10Km）、高速的數(shù)據(jù)傳輸效率（1Mbit/s）、可根據(jù)報(bào)文的ID決定接收或屏蔽該報(bào)文、可靠的錯誤處理和檢錯機(jī)制、發(fā)送的信息遭到破壞以后，可自動重發(fā)、節(jié)點(diǎn)在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動退出總線的功能、報(bào)文不含源地址和目標(biāo)地址，僅用標(biāo)識符來指示功能信息和優(yōu)先級信息。2. CAN總線概述控制器局部網(wǎng)（CANController Are

4、a Network）是BOSCH公司為現(xiàn)代汽車應(yīng)用領(lǐng)先推出的一種多主機(jī)局部網(wǎng)，由于其卓越性能現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、多種控制設(shè)備、交通工具、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境控制等眾多部門?？刂破骶植烤W(wǎng)將在我國迅速普及推廣。2.1 CAN總線特點(diǎn)CAN總線是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。通信速率可達(dá)1MBPS。CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級判別等項(xiàng)工作。CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論

5、上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識碼可由11位或29位二進(jìn)制數(shù)組成，因此可以定義211或229個(gè)不同的數(shù)據(jù)塊，這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。 - 1 -另外，CAN總線采用了多主競爭式總線結(jié)構(gòu)，具有多主站運(yùn)行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點(diǎn)。CAN總線上任意節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通信。CAN總線協(xié)議已被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)證，技術(shù)比較成熟，控制的芯片已經(jīng)商品化，性價(jià)比高，特別適用于分布式測控系統(tǒng)之間的數(shù)通訊。CAN總線插卡可以任意插在PC AT XT兼容機(jī)上，方便地構(gòu)成分布式

6、監(jiān)控系統(tǒng)。22.2 C8051F040 CAN控制器構(gòu)成C8051F040 內(nèi)部集成CAN控制器是Bosch全功能CAN模塊的完全實(shí)現(xiàn)，完全符合CAN規(guī)范2.0B。此CAN控制器由以下幾部分構(gòu)成：CAN內(nèi)核、報(bào)文RAM（與C8051 RAM相互獨(dú)立）、報(bào)文處理狀態(tài)機(jī)制和CAN控制寄存器。CIP-51可以通過特殊功能寄存器直接或間接訪問CAN控制器中的CAN控制寄存器（CAN0CN）、CAN測試寄存器（CAN0TST）和CAN狀態(tài)寄存器（CAN0STA），所有其它的寄存器只能通過CAN0ADR、CAN0DATH和CAN0DATL 寄存器以地址索引的方式間接訪問。2.3 CAN 控制器應(yīng)用時(shí)寄存器

7、配置報(bào)文對象初始化處理是在控制器復(fù)位后，CPU對Init清0以前，需要將各個(gè)不使用的消息對象MsgVal清0，再對程序中使用的消息對象初始化。這些操作均在Init清0以前完成。報(bào)文對象的配置是通過相應(yīng)的接口寄存器來設(shè)置其屏蔽碼、仲裁場、控制場和數(shù)據(jù)場值，而這一設(shè)置過程由相應(yīng)的IFX命令請求寄存器來完成。當(dāng)CAN控制寄存器中的Init位清零，CAN 內(nèi)核中的CAN協(xié)議控制器狀態(tài)機(jī)制和報(bào)文處理狀態(tài)機(jī)制將控制C_CAN的內(nèi)部數(shù)據(jù)流。接收到的報(bào)文通過接收濾波后都存放在報(bào)文RAM中。發(fā)送對象的配置是當(dāng)報(bào)文對象作為發(fā)送對象時(shí)，仲裁寄存器（ID28-0和Xtd位）將被應(yīng)用，它們定義了即將發(fā)送的報(bào)文識別符和類

8、型，如果使用11位識別符（標(biāo)準(zhǔn)幀），那么使用的是ID28ID18，而ID17ID0將被忽視。如果TxIE 位被置位，則IntPnd 位在此報(bào)文對象被成功發(fā)送后被置位；如果RmtEn位被置位，在接收到匹配的遠(yuǎn)程幀將引起TxRqst位被置位，也就是說該消息對象能夠響應(yīng)其它節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程楨請求。3. 通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件電路實(shí)現(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主要功能是完成各個(gè)控制器間以及站點(diǎn)和上位機(jī)之間的信息傳遞?？刂破饔兄髡竞妥诱緝煞N，主站和子站通過網(wǎng)絡(luò)通訊卡聯(lián)接成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。子站的信息可以通過網(wǎng)絡(luò)通訊卡傳遞給主站，上位機(jī)通過主站上的網(wǎng)絡(luò)通訊卡接收全部網(wǎng)絡(luò)的信息。CAN 總線一般用在工業(yè)檢測和控制現(xiàn)場，它將各功能模塊連接

9、在一起組成一個(gè)現(xiàn)場級通信網(wǎng)絡(luò)。在本應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)通訊卡通過雙絞線聯(lián)接成環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)通訊卡之間采用CAN2.0B進(jìn)行通訊。設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境因素比較復(fù)雜且各個(gè)控制器之間距離較為遙遠(yuǎn)，為了防止現(xiàn)場CAN總線短路后燒組件，必須進(jìn)行短路保護(hù)設(shè)計(jì)。為保證控制器系統(tǒng)的可靠性，網(wǎng)絡(luò)通訊卡的CAN通訊與控制器24V電源之間必須是隔離的。網(wǎng)絡(luò)通訊卡與 - 2 -圖1 網(wǎng)絡(luò)通訊卡原理框圖網(wǎng)絡(luò)通訊卡的CPU選用C8051F040。C8051F040單片機(jī)具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內(nèi)核。它在一塊芯片上集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采樣或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其它功能部件。它具有64K

10、B Flash、4352B RAM、CAN控制器2.0、2個(gè)串行接口、5個(gè)16位定時(shí)器、12位A/D轉(zhuǎn)換器、8位A/D轉(zhuǎn)換器及12位D/A轉(zhuǎn)換器等，它內(nèi)部還帶有JTAG接口，使調(diào)試變得非常方便。C8051F040內(nèi)部集成的CAN控制器為Bosch CAN控制器。此CAN控制器有以下幾部分構(gòu)成：CAN內(nèi)核、報(bào)文RAM（與C8051 RAM相互獨(dú)立）、報(bào)文處理狀態(tài)機(jī)制和CAN控制寄存器3。由于Silicon Laboratories內(nèi)部的CAN控制器只是個(gè)協(xié)議控制器，不能提供物理層驅(qū)動，所以在使用時(shí)還需外加CAN總線驅(qū)動器，本應(yīng)用中使用的是P82C250T。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在CAN

11、控制器引腳CANTX、CANRX和收發(fā)器P82C250T之間并不是直接相連，而是通過由高速光耦6N137構(gòu)成的隔離電路后再與P82C250T相連，同時(shí)采用TVS管和壓敏電阻和磁性元件等對干擾進(jìn)行抑制，這樣就可以很好的實(shí)現(xiàn)總線上各節(jié)點(diǎn)的電氣隔離。與上位機(jī)的COM2之間采用MAX202E進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，并且與COM2之間也是全隔離設(shè)計(jì)。這部分增加了節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜性，但它卻提高了節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性。系統(tǒng)的電源采用電源模塊WRB240505S，該模塊是DC/DC、寬輸入電壓（18V-36V）、雙路輸出的隔離電源模塊。采用可恢復(fù)保險(xiǎn)絲R030對總線進(jìn)行短路保護(hù)。網(wǎng)絡(luò)通訊卡的原理圖如圖2所示。- 3 - 4

12、-圖2 網(wǎng)絡(luò)通訊卡的原理圖CAN通信部分主要完成的任務(wù)是：將現(xiàn)場檢測到的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)或其它的下位機(jī)節(jié)點(diǎn)；同時(shí)，上位機(jī)可以對下位機(jī)的相關(guān)參考進(jìn)行設(shè)置，即下位機(jī)還須接收一定量的數(shù)據(jù)。由此可知，此節(jié)點(diǎn)的CAN通信主要包括系統(tǒng)初始化程序、發(fā)送程序、接收程序等4。在本例中，系統(tǒng)軟件采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方案，使其具有較好的模塊性和可移植性，對于不同的系統(tǒng)功能或不同的應(yīng)用環(huán)境，可以方便地進(jìn)行編程重組。軟件流程圖入下圖所示。初始化程序主要完成對所有的報(bào)文對象進(jìn)行初始化（一般將所有值置零），對CAN控制寄存器（CAN0CN）、位定時(shí)寄存器（BITREG）進(jìn)行設(shè)置，還要對發(fā)送報(bào)文對象和接收報(bào)文對象分別進(jìn)行初始化

13、。其中，位定時(shí)寄存器的設(shè)置較為復(fù)雜，這里我們使用外部晶振為8MHz，CAN通信速率為500k/s，得到BITREG的初始值為0x2301。主程序中規(guī)定對象初始化、發(fā)送和接收初始化，最后才啟動CAN處理機(jī)制（對BITREG和CAN0CN初始化），下面為CAN啟動程序：void start_CAN(void)SFPRAGE=CAN0_PAGE; /*指向CAN0頁面*/CAN0CN|=0x41; /*將CCE和Init置“1”開始初始化*/CAN0ADR=BITREG； /*指向位定時(shí)寄存器進(jìn)行配置*/CAN0DAT=0x2301; /*位率為500k/s*/CAN0CN|=0x06; /*允許全

14、局中斷，IE和Sie置位*/CAN0CN &=0x41; /*清楚CCE和INIT位，啟動CAN狀態(tài)機(jī)制*/CAN報(bào)文發(fā)送是由CAN控制器自動完成的，用戶只需根據(jù)接收到的遠(yuǎn)程幀的識別符，將對應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到發(fā)送緩沖寄存器，然后將此報(bào)文對象的編碼寫入命令請求寄存器啟動發(fā)送即可，而發(fā)送由硬件來完成。這里，我們使用定時(shí)更新發(fā)送報(bào)文對象中的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的發(fā)送有控制器自動完成，當(dāng)其收到一個(gè)遠(yuǎn)程幀時(shí)，就將具有相同識別符的數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去。其發(fā)送程序結(jié)構(gòu)如下：Void transmit_message(char MsgNum)SFRPAGE=CAN0_PAGE; /*指向CAN0頁面*/CAN0ADR=I

15、F1CMDMSK；CAN0DAT=0X0083；CAN0ADR=IF1ARB2； /*指向IF1仲裁寄存器2*/CAN0DATH|=0x80;CAN0ADR=IF1DATA1; /*指向數(shù)據(jù)場的第一個(gè)字節(jié)*/for(i=0;i<4;i+)CAN0DAT=can_tempi; /*將4字節(jié)數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖器*/CAN0ADR=IF1CMDRQST；CAN0DATL=MsgNum; /*將報(bào)文對象編號寫入*/CAN報(bào)文的接收與發(fā)送一樣，是由CAN控制器自動完成的，接收程序只需從接收緩存 - 5 -/*向IF1命令屏蔽寄存器寫入命令*/void receive_data(void)SFRPAG

16、E=CAN0_PAGE; /*指向CAN0頁面*/CAN0ADR=IF1CMDMSK；CAN0DAT=0X0083；CAN0ADR=IF1ARB2； /*指向IF1仲裁寄存器2*/CAN0DATH|=0x80;CAN0ADR=IF1DATA1; /*指向數(shù)據(jù)場的第一個(gè)字節(jié)*/for(i=0;i<4;i+)CAN0DAT=can_tempi; /*將4字節(jié)數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖器*/CAN0ADR=IF1CMDRQST；CAN0DATL=MsgNum; /*將報(bào)文對象編號寫入*/ /*向IF1命令屏蔽寄存器寫入命令*/5. 結(jié)論文中基于CAN總線的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)物理層電路完全能夠使用，而且抗干

17、擾能力較強(qiáng)，已成功應(yīng)用于某大型電站的工業(yè)安全系統(tǒng)中。CAN總線以其穩(wěn)定的特性、低廉的價(jià)格將會被更多用戶所使用，而集成于微控制器內(nèi)部的CAN控制器更是在設(shè)計(jì)過程中的首選。參考文獻(xiàn)1 鄔寬明CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)M北京：北京航空航天大學(xué)出版社2 C_CAN Users Manual Revision 1.2 BoschZ3 潘琢金C8051F040/1/2/3/4/5/6/7 混合信號ISP FLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊M：新華龍電子有限公司4 童長飛C8051F 系列單片機(jī)開發(fā)與C 語言編程M北京：北京航空航天大學(xué)出版社，20055 徐愛鈞，彭秀華單片機(jī)高級語言C51 Windows環(huán)境編程與

18、應(yīng)用M北京：電子工業(yè)出版社Design and Implementation of Industry CommunicationNetwork System Based on CAN BusYang Zhiwei SunMingBeijing University of Post and Telecommunication，Beijing （100876） Beijing Keeven Aviation Instrumeng co.,Ltd.，Beijing （100086）AbstractCAN (Controller Area Network) bus is a kind of serial communication network using CAN protocol. Single Chip Processor C8051F040 belonged to Silicon