CAN总线网络设计毕业设计论文VIP

引言在进入信息化时代的今天，人们对于居住环境中的安全性、舒适性要求已越来越高。家用设备的增多以及其功能的全面性使人们的生活十分的方便。但是如何很有效的管理并使用这些设备就了一个有待解决的问题。CAN-bus（ Controller Area Network） 即控制器局域网是国际上应用最广泛的现场总线之一。作为一种技术先进可靠性高功能完善成本合理的远程网络通讯控制方式CAN-bus 已被广泛应用到各个自动化控制系统中例如在汽车电子自动控制、智能大厦、电力系统、安防监控等各领域CAN-bus 都具有不可比拟的优越性。做为最优秀的现场总线，它的特点是其他总线所不能比拟的，低成本、总线利用率高、传输距离远、抗干扰这些优点都为家庭网络的连接通信打下了一个非常可行的基础。“基于CAN总线的家庭网络设计”是本次毕业设计的题目，也是本篇论文所要着重讲述的课题，其中从控部分的设计是由本人来进行完成。从题目上就可以看出它是以CAN总线做为通信控制的手段，而CAN总线上所挂载的节点就是家庭中的各个电器设备。在系统设计的过程中所要做的是把各个节点和一个控制终端连接起来，通过终端来控制各个节点的运行情况，而节点也可以通过CAN总线把设备的状态反馈给终端，比如说温度、转速等。这样的一个家庭网络系统作为商品将会非常有价值的，想想看坐在沙发上通过终端控制器就可以一边看着电视一边使厨房自动做出一桌晚餐，特别是对于那些空闲时间非常有限的人士来说这套系统将是非常诱人的。在整个系统中分为主控部分与从控部分，而在接下来的各章中将着重介绍从控部分的设计思想与功能实现的过程。希望本系统的研究成果能给予那些对CAN总线有兴趣的朋友一些帮助。第一章 系统的基本概述11 嵌入式 Linux 系统简介嵌入式系统技术随着后PC时代的到来，嵌入式系统技术已经成为一个非常瞩目的焦点。目前已广泛应用到信息家电、数据网络、工业控制、医疗卫生、航空航天等众多领域。在硬件方面，各大电子厂商相继推出了自己专用的嵌入式芯片，众多的MP3，PDA，无线上网装置，让人充分感受到了这股强劲之势；软件方面，在PSOS、NECULEUS和WINDOWS CE等嵌入式系统的引领下出现了空前繁荣的局面。近两年来在我国蓬勃发展的 Linux 操作系统由于价格低廉、功能强大、并可以运行在 X86、ALPHA、SPARC、MIPS、ARM 等硬件平台上,以及开放原代码等众多优势被用在各项嵌入式产品中。典型的 Linux 系统经过打包，在拥有硬盘和大容量内存的 PC 机上运行，嵌入式系统不需要这么高的配置。一个功能完备的 Linux 内核要求大约 1 MB 内存。而 Linux 微内核只占用其中很小一部分内存，包括虚拟内存和所有核心的操作系统功能在内，只需占用系统约 100 K 内存。只要有 500 K 的内存，一个有网络栈和基本实用程序的完全的 Linux 系统就可以在一台 8 位总线（SX）的 Intel 386 微处理器上运行的很好了。由于内存要求常常是需要的应用所决定的，比如 Web 服务器或者 SNMP 代理，Linux 系统甚至可以仅使用 256 KB ROM 和 512 KB RAM 进行工作。因此它是一个瞄准嵌入式市场的轻量级操作系统。与传统的实时操作系统相比（RTOS） ，采用象嵌入式 Linux 这样的开放源码的操作系统的另外一个好处是 Linux 开发团体看来会比 RTOS 的供应商更快地支持新的 IP 协议和其它协议。例如，用于 Linux 的设备驱动程序要比用于商业操作系统的设备驱动程序多，如网络接口卡（NIC）驱动程序以及并口和串口驱动程序。核心 Linux 操作系统本身的微内核体系结构相当简单。网络和文件系统以模块形式置于微内核的上层。驱动程序和其它部件可在运行时作为可加载模块编译到或者是添加到内核。这为构造定制的可嵌入系统提供了高度模块化的构件方法。而在典型情况下该系统需结合定制的驱动程序和应用程序以提供附加功能。嵌入式系统也常常要求通用的功能，为了避免重复劳动，这些功能的实现运用了许多现成的程序和驱动程序，它们可以用于公共外设和应用。Linux 可以在外设范围广泛的多数微处理器上运行，并早已经有了现成的应用库。Linux 用于嵌入式的因特网设备也是很合适的，原因是它支持多处理器系统，该特性使 Linux 具有了伸缩性。因而设计人员可以选择在双处理器系统上运行实时应用，提高整体的处理能力。例如，您可以在一个处理器运行 GUI，同时在另一个处理器上运行 Linux 系统。在嵌入式系统上运行 Linux 的一个缺点是 Linux 体系提供实时性能需要添加实时软件模块。而这些模块运行的内核空间正是操作系统实现调度策略、硬件中断异常和执行程序的部分。由于这些实时软件模块是在内核空间运行的，因此代码错误可能会破坏操作系统从而影响整个系统的可靠性，这对于实时应用将是一个非常严重的弱点。已经有许多嵌入式 Linux 系统的示例；可以有把握地说，某种形式的 Linux 能在几乎任一台执行代码的计算机上运行。12 CAN 总线简介CAN（Controller Area Network）总线是德国 Bosch 公司为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达 1Mbps，通信距离可达 10km，CAN 协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码，使网络内的节点个数在理论上不受限制。由于 CAN 总线具有较强的纠错能力，支持差分收发，因而适合高干扰环境，并具有较远的传输距离。因此，CAN 协议对于许多领域的分布式测控是很有吸引力的。目前 CAN 已成为ISO11898 标准，其特性如下：1 CAN 是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。2 CAN 协议遵循 ISO/OSI 模型，采用了其中的物理层、数据链路层与应用层。3 CAN 可以多主方式工作，本质上也是一种 CSMA/CD 方式，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其它节点发送信息，而不分主从，节点之间有优先级之分，因而通信方式灵活；CAN 采用非破坏性位仲裁技术，优先级发送，可以大大节省总线冲突促裁时间，在重负荷下表现出良好的性能；CAN 可以点对点、一点对多点（成组）及全局广播等几种方式传送和接收数据。4 CAN 的直接通信距离最远可达 10km（传输速度底）；最高通信速率可达 1Mbps(传输距离近)。5 CAN 上的节点数据实际可达 110 个。6 CAN 数据链路层采用短帧结构，每一帧为 8 个字节，易于纠错；CAN 每帧信息都有 CRC 校验及其它检错措施，有效地降低了数据的错误率；CAN 节点在错误严重的情况下，具有自动关闭的功能，使总线上其它节点不受影响。7 信号调制解调方式采用 NRZ 编码/解码方式，并且采用插入填充位（位填充）技术。8 数据位具有支配（Dominant bit）和退让（Recessive bit）两种逻辑值，采用时钟同步技术，具有硬件自同步和定时时间自动跟踪功能。CAN 能够使用多种物理介质进行传输，例如：双绞线、光纤等。最常用的就是双绞线。信号使用差分电压传送，两条信号线被称为 CAN_H 和 CAN_L，静态时均是 2.5V 左右，此时状态表示为逻辑 1 也可以叫做“隐性”。用 CAN_H 比 CAN_L 高表示逻辑 0，称为“显性”。此时，通常电压值为 CAN_H=3.5V 和CAN_L=1.5V。当“显性”位和“隐性”位同时发送的时候，最后总线数值将为“显性”。这种特性，为 CAN 总线的抗干扰，通信简单等特性奠定了基础。CAN 总线的一个位时间可以分成四个部分：同步段，传播段，相位段 1 和相位段 2，每段的时间份额的数目都是可以通过 CAN总线控制器（比如 MCP2510）编程控制的，而时间份额的大小 tq由系统时钟 tsys 和波特率预分频值 BRP 决定：tq=BRP/tsys。如下图 1.1 所示：图 1.1 CAN 总线的一个位时间上述四个部分的设定和 CAN 总线的同步、仲裁等信息有关。CAN 总线的 MAC 帧结构：如下图 1.2 所示，CAN 总线的帧数据有两种格式：标准格式和扩展格式。图 1.2 CAN 总线的帧数据第二章 系统总体规划21 总体系统框架功能及设计“基于 CAN 总线的家庭网络设计与实现是基于图(2.1)CAN 总线的总体结构示意图来构造的，系统采用支持 CAN 标准的总线型网络。中央计算机系统（主控）通过 CAN 接口适配卡与 CAN 总线相连，进行数据交换。通过双绞线把中央计算机系统和家庭控制器（下位智能节点）挂接在一条总线上，构成低层通信网络。由于采用了 CSMA/CD 的信息传输控制技术，允许总线上各节点平等争用总线，从而可构成具有多主节点的冗余网络结构。图 2.1 系统总构造图在低层通信网络中，中央终端系统和家庭电器控制器分别有自己的 ID 标志。由于采用 CAN 标准作为网络通信协议，各节点在网络中的地位相同，于是在设计的过程中可以将终端系统虚拟成主机，而家庭电器控制器则虚拟成从机，响应主机的要求。中央终端系统负责对整个 CAN 总线系统进行监视管理，具有系统参数（如传输速率、节点地址等）设置、数据发送、数据请求、本机状态查询、节点状态查询、中断状态查询等功能。系统工作过程为上位终端向下位节点（家庭电器控制器）发送命令，下位节点识别并执行相应命令。同时各下位节点也可按要求进行信息交换或者进行独立的操作。 在数据链路层中，规定了支持 CAN 协议的两种帧格式：标准式和扩展式。标准式用来发送数据，用于一个节点传送信息到其它任一或所有节点；扩展式用来“远程发送请求”，用于一个节点主动要求其它节点发送信息，其中标准式的具体格式如图(2.2)所示 图 2.2 标准格式在确定中央终端与家庭电器控制器的通信后,接下来进行中央终端对家庭电器控制器的控制,也就是说当中央终端对电器控制器发出命令时可以使家用电器动作,并且可以使家电通过节点控制器反馈自己的信息。如转速温度运行情况是否正常等。22 从控系统功能及设计家庭网络控制器的硬件设计本系统是由许多智能家庭控制器通过 CAN 总线相连而组成的一个控制器局部网，因此，CAN 总线节点的设计就显得极为重要。尤其是 CAN 总线中节点与主控制器的连接部分和控制，下面介绍一下本系统中从控的设计思想。1 CAN 总线节点的选取为了系统框架完整的需要，可选取一些有代表性的外部设备来模拟在日常生活中需要控制的设备。如电机可以通过程序来控制它的正转反转或转速快慢，这样就可以模拟为家庭中的洗衣机。还可以通过摄像头来模拟监控设备，通过 CAN 总线把图像信息传送给终端控制器。2 CAN 总线节点的控制在进行系统试验的过程中需要从控部分对节点来进行控制，不光要可以对节点设备的开关进行控制，还需要完成对主控部分进行信息的反馈。3 控制程序 在对节点选取完毕后，就需要对它进行控制，在试验平台上所使用的 VC+，这就要求对 C+有一定的熟悉程度。而 CAN 总线系统的初始化设计是软件设计的关键，这一部分设计不好，系统将不可能正常工作。因此初始化设计是一个难点，又是一个重点。4 控制界面系统控制节点后需要有一个具有人性化的界面来方便控制。本系统的界面程序是使用 MINIGUI 来进行开发，此程序可以在ARM9 试验平台的触摸屏来进行控制，这对系统以后的商业化发展有很大的帮助。CAN 总线以其高性能、高可靠性及其独特的设计越来越受到人们的重视，并被公认为最有前途的总线之一。在设计的过程中家庭控制器系统中应用了这种总线技术，设计了硬件电路和软件，并得到实际应用，具体设计步骤将在下文着重讲述。第三章 系统功能实现的环境31 系统开发平台简介嵌入式 LINUX 可以运行的硬件平台十分广泛，从X86、MIPS、POWERPC 到 ARM，以及其他许多硬件体系结构，目前在世界范围，ARM 体系结构的 SOC 逐渐占领 32 位嵌入式微处理器市场，并且在国内市场上很容易购买到 ARM 核的嵌入式处理器，实验中所应用到的硬件平台也是基于 ARM 体系结构的，由北京博创兴业科技有限公司开发的 UP-NetARM3000 和 UP-NetARM2410-S 实验仪器。UP-NetARM3000 的 CPU 为 AMR7TDMI 内核的三星S3C44B0X01 芯片，由于没有 MMU 只能跑 uClinux，UP-NetARM2410-S 的 CPU 为 AMR920T 内核的三星 S3C2410 芯片，由于有 MMU 就可以跑标准的 ARM-LINUX 内核。由于本设计是在此平台上完成所以现在对这个平台 UP-NetARM2410-S 做一下详细的介绍。UP-NetARM2410-S 实验仪器介绍硬件配置UP-NetARM2410-S 的硬件配置如表 31 所示：表 31 硬件配置表配置名称 型号 规格CPU ARM920T 结构芯片三星S3C2410X 工作频率203MHz以太网 AX88796 10/100M 自适应FLASH 盘 SAMSUNG K29F2808 16MB（WinCE 64M）内存 SDRAM HY57V561620BTH 32M2=64MLCD STN 240*320 256 色TFT 240X320 24 位键盘 LED 数码管驱动器 ZLG729017 键数字小键盘触摸屏 FM7843 驱动USB 主从接口 USB1.1串口 RS232 2 个AD 3 个电位器控制输入调试接口 JTAG，14 针、20 针 JTAG 烧写Flash音频输出 IIS 总线，UDA1341 芯片，44.1KHz 音频扩展插槽 三个 168Pin 总线直接扩展DA 扩展板 DA