基于CAN總線的數(shù)據(jù)通訊接口的設(shè)計(jì)

1、 基于CAN總線的數(shù)據(jù)通訊接口的設(shè)計(jì)展恩穎（自動(dòng)化部特鋼維護(hù)車間技術(shù)組）摘 要：現(xiàn)場(chǎng)總線是自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。它以總線為紐帶，將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接起來(lái)成為一個(gè)能夠相互交換信息的控制網(wǎng)絡(luò)，是一種雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)。CAN總線也是現(xiàn)場(chǎng)總線的一種，它最初被應(yīng)用于汽車的控制系統(tǒng)中。由于其卓越的性能，CAN總線的應(yīng)用范圍已不再局限于汽車工業(yè)，被廣泛應(yīng)用到自動(dòng)控制、樓宇自動(dòng)化、醫(yī)學(xué)設(shè)備等各個(gè)領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：CAN總線；dspic30f5011；M9020-FNU20；CTM1050；ABSTRACT：Field bus is a kind of computer

2、network in automatization field and it has been one of the hotspots of automatization fields technique development. Field bus connects the field equipments with a bus and makes a network through which information can be exchanged mutually. So field bus is a system which can transmit digital signals

3、in two directions among many nodes. CAN is also one kind of field bus. Originally, its applied in the control systems of car industry But its application is not limited in automobile industry for its excellent performance now. Its also applied in Automatic control. Building automatization, Mechanica

4、l treatment equipments and so on.KEY WORDS: CAN bus; dspic30f5011; M9020-FNU20; CTM1050;0 引言現(xiàn)場(chǎng)總線(Field bus) 是指開(kāi)放式、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化、相互交換操作作者簡(jiǎn)介：展恩穎（1988），男，山東省萊蕪市，2010年畢業(yè)于青島科技大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)，現(xiàn)為自動(dòng)化部特鋼維護(hù)車間技術(shù)員。的雙向傳送、連接智能儀表和控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線全稱為Controller Area Network,即控制器局域網(wǎng)，CAN總線是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。現(xiàn)場(chǎng)總線是20世紀(jì)90年代迅速發(fā)展起來(lái)的工

5、業(yè)控制系統(tǒng)技術(shù)，是信息化帶動(dòng)工業(yè)化和工業(yè)化推動(dòng)信息化的實(shí)用技術(shù)之一。近年來(lái)才在中國(guó)獲得初步發(fā)展。當(dāng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，特別是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用后，人們對(duì)企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的控制提出了更高的要求，企業(yè)與外界信息溝通的范圍不斷擴(kuò)大，這就需要把大量的現(xiàn)場(chǎng)信息送到外面，又需要遠(yuǎn)程對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行診斷、維護(hù)和服務(wù)，實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)場(chǎng)控制到監(jiān)控、管理、決策等各層次的信息交換和集成。現(xiàn)場(chǎng)總線順應(yīng)了這種要求的發(fā)展，具有便于系統(tǒng)功能擴(kuò)充，結(jié)構(gòu)改型方便，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，可靠性高，全數(shù)字化信號(hào)精度比傳統(tǒng)的模擬信號(hào)高，高度分散控制使風(fēng)險(xiǎn)得到徹底分散，維護(hù)性好，可預(yù)防性診斷和維護(hù)，具有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)，提供更豐富的現(xiàn)場(chǎng)信息等優(yōu)點(diǎn)。被認(rèn)為

6、是工業(yè)控制發(fā)展的必然趨勢(shì)，將逐步取代傳統(tǒng)的控制方法。1 CAN總線技術(shù)規(guī)范1.1 CAN總線的分層結(jié)構(gòu)CAN遵從ISO/OSI標(biāo)準(zhǔn)模型，按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的模型，CAN結(jié)構(gòu)劃分為兩層：數(shù)據(jù)鏈路層（包括邏輯鏈路控制子層LLC和媒體訪問(wèn)控制子層MAC）和物理層。在CAN技術(shù)規(guī)范2.0版本中，數(shù)據(jù)鏈路層的LLC和MAC子層服務(wù)及功能被描述為“對(duì)象層”和“傳輸層”。CAN的分層結(jié)構(gòu)如下圖1-1。數(shù)據(jù)鏈路層邏輯鏈路控制子層LLC接收濾波超載通知恢復(fù)管理介質(zhì)訪問(wèn)控制子層MAC數(shù)據(jù)封裝/拆裝幀編碼（填充/消除填充）介質(zhì)訪問(wèn)管理錯(cuò)誤檢測(cè)錯(cuò)誤標(biāo)定應(yīng)答串行化/解串行化物理層物理信令PLS位編碼/解碼位定時(shí)同步驅(qū)動(dòng)器/接

7、收器特征圖1-1 CAN分層結(jié)構(gòu)圖Fig 1-1 CAN hierarchical structure diagramLLC子層的主要功能是：為數(shù)據(jù)傳送和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求提供服務(wù)，確認(rèn)由LLC子層接收的報(bào)文已被接收，并為恢復(fù)管理和通知超載提供信息。MAC子層的功能主要是傳送規(guī)則，亦即控制幀的結(jié)構(gòu)、執(zhí)行仲裁、錯(cuò)誤檢測(cè)、出錯(cuò)標(biāo)定和故障界定。物理層的功能是有關(guān)全部電氣特性在不同節(jié)點(diǎn)問(wèn)的實(shí)際傳送。CAN技術(shù)規(guī)范2.0B定義了數(shù)據(jù)鏈路中的MAC子層和LLC子層的一部分，并描述與CAN有關(guān)的外層。物理層定義了信號(hào)怎樣進(jìn)行發(fā)送，因而，涉及位定時(shí)、位編碼元和同步的描述。在這部分技術(shù)規(guī)范中，未定義物理層中的驅(qū)動(dòng)器接

8、收器特性，以便允許根據(jù)具體應(yīng)用，對(duì)發(fā)送媒體和信號(hào)電平進(jìn)行優(yōu)化，使信號(hào)傳輸更加方便。MAC子層是CAN協(xié)議的核心，它描述由LLC子層接收到的報(bào)文和對(duì)LLC子層發(fā)送的認(rèn)可報(bào)文。MAC子層可響應(yīng)報(bào)文幀、仲裁、應(yīng)答、錯(cuò)誤檢測(cè)標(biāo)定。MAC子層有稱為故障界定的一個(gè)管理實(shí)時(shí)監(jiān)控，它具有識(shí)別永久故障或短暫擾動(dòng)的自檢機(jī)制。LLC子層的主要功能是報(bào)文濾波、超載通知和恢復(fù)管理。按照IEEE 8022和8023標(biāo)準(zhǔn)，物理層劃分為：(1)物理信令(PLS Physical Signaling)。(2)物理媒體附屬裝置(PMA Physical Medium Attachment)。(3)媒體相關(guān)接口(MDI Mediu

9、m Dependent Interface)。數(shù)據(jù)鏈路層又劃分為：(1)邏輯鏈路控制(LLC Logic Link Contr01)。(2)媒體訪問(wèn)控制(MAC Medium Access Contr01)。1.2 CAN的報(bào)文發(fā)送和幀在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，發(fā)出報(bào)文的單元稱為報(bào)文的發(fā)送器，該單元在總線空閑或丟失仲裁前恒為發(fā)送器。如果一個(gè)單元不是報(bào)文發(fā)送器，并且總線不處于空閑狀態(tài)，則該單元為接收器。對(duì)于報(bào)文發(fā)送器和接收器，報(bào)文實(shí)際有效時(shí)刻是不同的。對(duì)于發(fā)送器而言，如果周到幀結(jié)束末尾一直未出錯(cuò)，則對(duì)于發(fā)送器報(bào)文有效。如果報(bào)文受損，則允許按照優(yōu)先權(quán)順序自動(dòng)重發(fā)送。為了能同其他報(bào)文驚醒總線訪問(wèn)競(jìng)爭(zhēng)，總線一

10、旦空閑，重發(fā)送將立即開(kāi)始。對(duì)于接收器而言，如果直到幀結(jié)束的最后一位一直未出錯(cuò)，則對(duì)于接收器報(bào)文有效。1.2.1 幀格式規(guī)范中有兩種不同的幀格式，不同之處在于每幀的標(biāo)識(shí)符的長(zhǎng)度不同。標(biāo)準(zhǔn)幀的標(biāo)識(shí)符長(zhǎng)度為11位，而擴(kuò)展幀的長(zhǎng)度則為29位。1.2.2 幀類型CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸由以下4個(gè)不同的幀類型所表示和控制：數(shù)據(jù)幀：數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)從發(fā)送器傳送到接收器。遠(yuǎn)程幀：總線單元發(fā)出遠(yuǎn)程幀，請(qǐng)求發(fā)送具有相同標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀。錯(cuò)誤幀：任何節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到總線錯(cuò)誤就發(fā)出錯(cuò)誤幀。超載幀：超載幀用以在先行的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀(或遠(yuǎn)程幀)之間提供一附加的延時(shí)。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，它們用一個(gè)幀空間與前面的幀

11、分開(kāi)。2 基于dspic30f5011單片機(jī)CAN總線的硬件設(shè)計(jì)dsPIC30F5011單片機(jī)是Microchip公司的高性能數(shù)字信號(hào)控制器。其CPU是高性能改進(jìn)型RISC CPU，采用改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)化的C 編譯器指令集架構(gòu)和靈活的尋址方式， 66KB片上閃存程序空間、4 KB片上數(shù)據(jù)RAM、1 KB非易失性數(shù)據(jù)EEPROM。最高30MIPS的工作速度，最多41個(gè)中斷源。其DSP特性能輕松實(shí)現(xiàn)雙數(shù)據(jù)取操作、模尋址和位反轉(zhuǎn)尋址模式。dsPIC30F5011外設(shè)上具備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器接口(Data Converter Interface)，3路SPI總線模塊（支持4 種幀模式），I2C模塊支持多

12、主器件主/從模式，支持7位/10位尋址，兩個(gè)帶FIFO緩沖區(qū)的可尋址UART 模塊，兩個(gè)與CAN 2.0B 標(biāo)準(zhǔn)兼容的CAN 總線模塊。下行數(shù)據(jù)采集板的設(shè)計(jì)中主要用到了其中的CAN總線模塊和SPI總線模塊。PIC單片機(jī)在本系統(tǒng)中的主要功能是CAN傳輸（負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)打成CAN包然后傳送到ARM主板），負(fù)責(zé)處理抄表協(xié)議，與485通訊等。因此CAN模塊和SPI模的作用猶為重要。2.1 CTM1050CTM1050 是一款帶隔離的高速CAN 收發(fā)器芯片，該芯片內(nèi)部集成了所有必需的CAN隔離及CAN 收、發(fā)器件，這些都被集成在不到3平方厘米的芯片上。芯片的主要功能是將CAN 控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN

13、總線的差分電平并且具有DC 2500V 的隔離功能及ESD 保護(hù)作用。該芯片符合 ISO11898標(biāo)準(zhǔn)，因此，它可以和其他遵從ISO11898標(biāo)準(zhǔn)的CAN收發(fā)器產(chǎn)品互操作。2.1.1電路連接使用CTM1050芯片時(shí)，必須將CTM1050芯片假如用戶的電路板中；如圖2-1所示為CAN控制器與CTM1050接口芯片的連接原理圖。圖2-1 CTM1050接口電路Fig 2-1 CTM1050 interface circuit2.2 電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)里主要部分采用了LPC2290微控制器和dsPIC30F5011單片機(jī)，它們內(nèi)部都含兩個(gè)CAN控制器，基于LPC2290 的工業(yè)級(jí)微控制器M9020-FN

14、U20提供LPC2290 標(biāo)準(zhǔn)化驅(qū)動(dòng)，并固化協(xié)議棧，調(diào)用API 函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)備CAN 總線通信功能。完整的CAN 總線設(shè)備由CAN 控制器、總線收發(fā)器以及相應(yīng)的隔離電路組成。本系統(tǒng)中LPC2290微控制器和dsPIC30F5011單片機(jī)之間的CAN通訊就相對(duì)簡(jiǎn)單只需加入隔離電路-CAN隔離收發(fā)器和其它相關(guān)器件就可實(shí)現(xiàn)。CAN總線的接口電路如下圖2-2所示。M9020-FNU20中已固化協(xié)議棧，通訊時(shí)調(diào)用API函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)備的CAN 總線通信功能。CAN隔離收發(fā)器采用廣州致遠(yuǎn)電子開(kāi)發(fā)的CTM1050（帶TVS 保護(hù)的高速隔離 CAN 收發(fā)器,DC2500V 電氣隔離）。隔離收發(fā)模

15、塊集電源隔離、電氣隔離、CAN 收發(fā)器、CAN 總線保護(hù)于一體，模塊TXD、RXD 引腳兼容+3.3V、+5V 電平連接，直接將CAN 控制器收發(fā)引腳與CTM 模塊的收發(fā)引腳連接即可構(gòu)成完整的CAN 設(shè)備。隔離電路能確保CAN 總線在遭受嚴(yán)重干擾時(shí)控制器仍正常工作。圖2-2 CAN總線接口電路圖Fig 2-2 CAN bus interface circuit3 基于M9020-FNU20微控制器CAN總線的硬件設(shè)計(jì)M9020-FNU20 基于LPC2290 工業(yè)級(jí)微控制器，支持10M 以太網(wǎng)通信、CAN 總線通信，具有CF 卡接口、USB 接口、板載大容量NAND Flash 電子盤(pán)、A/D

16、 轉(zhuǎn)換、RTC 等功能。產(chǎn)品提供保護(hù)型總線設(shè)計(jì)，使模塊在EMC 性能及穩(wěn)定性方面均有良好的表現(xiàn)。產(chǎn)品提供LPC2290 標(biāo)準(zhǔn)化驅(qū)動(dòng)庫(kù)，并固化協(xié)議棧，調(diào)用API 函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)備的TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)通信、CAN 總線通信功能和USB、CF 卡、海量電子盤(pán)等存儲(chǔ)功能，特別適合電力自動(dòng)化、煤礦產(chǎn)量監(jiān)控、機(jī)電控制等行業(yè)。用戶程序可在線升級(jí)，不但使產(chǎn)品更快投入市場(chǎng)，而且升級(jí)簡(jiǎn)單可靠，明顯增強(qiáng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。3.1 M9020-FNU20結(jié)構(gòu)M9020-FNU20 嵌入式工控板主要由LPC2290(ARM7TDMI)微控制器、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)控制器CS8900A、USB 主機(jī)控

17、制器和大容量NAND Flash 存儲(chǔ)器組成。總線通過(guò)緩沖保護(hù)電路與底板接口以保證微控制器總線運(yùn)行不受外界干擾。產(chǎn)品標(biāo)配可校準(zhǔn)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘和帶256Bytes E²-PROM 的復(fù)位監(jiān)控電路。3.2 電路設(shè)計(jì)完整的CAN 總線設(shè)備由CAN 控制器、總線收發(fā)器以及相應(yīng)的隔離電路組成。M9020-FNU20 工控板使用如圖 3-1 所示CAN 接口電路（圖中只有1 路），圖中CTM1050為隔離CAN 收發(fā)器模塊，能確保CAN 總線在遭受嚴(yán)重干擾時(shí)控制器仍正常工作。圖3-1接口電路Fig 3-1 Interface circuit致遠(yuǎn)CTM 系列CAN 隔離收發(fā)模塊集電源隔離、電氣隔離、C

18、AN 收發(fā)器、CAN 總線保護(hù)于一體，模塊TXD、RXD 引腳兼容+3.3V、+5V 電平連接，毋需外接其他元器件，直接將CAN 控制器收發(fā)引腳與CTM 模塊的收發(fā)引腳連接即可構(gòu)成完整的CAN 設(shè)備。4 CAN總線數(shù)據(jù)通訊接口的軟件設(shè)計(jì)4.1 初始化設(shè)置CAN總線操作需要初始化，以創(chuàng)建CAN控制器所需要的軟硬件資源，并進(jìn)行引腳配置等。CAN初始化函數(shù)原型為：void *CAN_Create(INT8U CAN_Ch, INT16U RxBufSize, INT32U BaudRate, void *pfun)4.2 接收程序CAN 總線模塊有3 個(gè)接收緩沖器。但是，其中總是有一個(gè)緩沖器用于監(jiān)視

19、總線是否有進(jìn)入的報(bào)文。這個(gè)緩沖器叫做報(bào)文合成緩沖器（Message Assembly Buffer，MAB）。因此只有2 個(gè)接收緩沖器可見(jiàn)（RXB0 和RXB1），基本上可以即時(shí)接收來(lái)自協(xié)議引擎的完整報(bào)文。當(dāng)一個(gè)接收緩沖器在接收?qǐng)?bào)文或保持上次接收到的報(bào)文時(shí)， CPU仍可以使用另一個(gè)接收緩沖器工作。MAB保存來(lái)自總線的解填充比特流，以允許并行訪問(wèn)整個(gè)數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀，以進(jìn)行接收匹配測(cè)試并將幀并行傳輸?shù)浇邮站彌_器。MAB將組合所有接收到的報(bào)文。這些報(bào)文只有在符合接收過(guò)濾器標(biāo)準(zhǔn)時(shí)才被傳送到RXBn 緩沖器。當(dāng)接收到報(bào)文時(shí)， RXnIF 標(biāo)志（CiINTF<0> 或CiINRF<1&g

20、t;）將置位。此位只有在報(bào)文被接收時(shí)才被模塊置位。該位在CPU處理完緩沖器中的報(bào)文后將由CPU清零。該位提供的正向鎖定功能確保CPU 已經(jīng)完成了報(bào)文緩沖器的處理。如果RXnIE 位（CiINTE<0>或CiINTE<1>）置位，當(dāng)接收到報(bào)文時(shí)將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷。有2 個(gè)與接收緩沖器相關(guān)的可編程的接收過(guò)濾屏蔽器，兩個(gè)緩沖器各有一個(gè)。當(dāng)接收到報(bào)文時(shí)，F(xiàn)ILHIT位（接收緩沖器0的CiRX0CON<0>和接收緩沖器1的CiRX1CON<2:0>）會(huì)表明報(bào)文的接收標(biāo)準(zhǔn)。除了表明使能接收的接收過(guò)濾屏蔽器個(gè)數(shù)外，還有一個(gè)指出所接收的報(bào)文是遠(yuǎn)程傳輸請(qǐng)求的狀態(tài)位。

21、圖4-1 接收流程圖Fig 4-1 receive flowchart4.3 發(fā)送程序CAN 模塊有三個(gè)發(fā)送緩沖器。每個(gè)緩沖器可容納14 字節(jié)的數(shù)據(jù)。其中的8 個(gè)字節(jié)用于存放發(fā)送的報(bào)文（最大8 個(gè)字節(jié)）。另外5 個(gè)字節(jié)用來(lái)存放標(biāo)準(zhǔn)或擴(kuò)展報(bào)文標(biāo)識(shí)符和其他報(bào)文仲裁信息。最后一個(gè)字節(jié)是與每個(gè)報(bào)文相關(guān)的控制字節(jié)。該字節(jié)中的信息決定在何種情況下報(bào)文將被發(fā)送以及表示報(bào)文發(fā)送的狀態(tài)。TXnIF 位（CiINTF<2>、CiINTF<3>或CiINTF<4>）將被置位，并且TXREQ位（CiTXnCON<3>）清零，表明報(bào)文緩沖器完成了發(fā)送。隨后CPU 把將要發(fā)

22、送的報(bào)文內(nèi)容裝入報(bào)文緩沖器。至少，必須裝載標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符寄存器CiTXnSID。如果報(bào)文中有數(shù)據(jù)字節(jié)，還應(yīng)裝載TXBnDm寄存器。如果報(bào)文使用擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符，CiTXnEID 寄存器和EID<5:0>位（CiTXnDLC<15:10>）會(huì)被加載并置位TXIDE位（CiTXnSID<0>）。在發(fā)送報(bào)文前，用戶必須初始化TXnIE位（CiINTE<2>、CiINTE<3> 或CiINTE<4>）以便在發(fā)送報(bào)文后使能或禁止中。必須置位TXREQ位（CiTXnCON<3>）來(lái)開(kāi)始發(fā)送報(bào)文。CAN 總線模塊解決了由TXREQ位與

23、SOF 時(shí)間設(shè)置造成的所有時(shí)序沖突，確保當(dāng)優(yōu)先級(jí)改變時(shí)，能在發(fā)送SOF 之前正確解決時(shí)序沖突。當(dāng)TXREQ 置位時(shí)， TXABT（CiTXnCON<6>）、TXLARB （CiTXnCON<5>）和TXERR（CiTXnCON<4>）標(biāo)志位將由模塊清零。置位TXREQ 位并沒(méi)有真正開(kāi)始發(fā)送報(bào)文，它標(biāo)志一個(gè)報(bào)文緩沖器正在排隊(duì)以等待發(fā)送。當(dāng)模塊檢測(cè)到總線上有可用的SOF時(shí)，發(fā)送開(kāi)始。模塊然后開(kāi)始發(fā)送設(shè)定為具有最高優(yōu)先級(jí)的報(bào)文。如果發(fā)送第一次嘗試就成功完成，TXREQ位將清零，如果TXnIE位（CiINTE<2>、CiINTE<3>和CiINTE<4>）已經(jīng)置位，還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷。如果報(bào)文發(fā)送失敗，其他的某些狀態(tài)標(biāo)志位將被置位， TXREQ 位將保持置位，表示該報(bào)文仍然等待發(fā)送。如果報(bào)文嘗試發(fā)送但遇到出錯(cuò)情況， TXERR 位（CiTXnCON<4>）將被置位。在這種情況下，出錯(cuò)情況也可能會(huì)引起中斷。如果報(bào)文嘗試發(fā)送但仲裁失敗， TXLARB 位（CiTXn