毕业设计（论文）-基于CAN总线智能节点通信系统的设计.doc

专科毕业论文(设计) 题 目：基于基于 cancan 总线智能节点通信系统的设计总线智能节点通信系统的设计 学 院：高等职业技术学院高等职业技术学院 专 业：电气工程及自动化电气工程及自动化 姓 名： xxxx 指导教师：xxxx xxxxx 2006 年 5 月 25 日 青岛大学专科生毕业论文（设计） 1 基于 can 总线智能节点通信系统的设计 摘 要 现场总线技术被誉为自动化领域的局域网，它是计算机技术、通信技术、控制技术 的集成。其中，can 现场总线以其高性能、高可靠性及其独特的设计越来越受到人们的重 视。can 总线上的节点能接收和发送信息。智能节点通过编程设置工作方式、id 地址、 波特率等参数。本文介绍了现场总线的发展背景以及 can 总线的发展背景、主要特点、 协议分层以及报文传输等内容，并对 can 总线节点的各组成部分作了较详细的介绍。通 过论证比较最后确定采用由单片机 at89c51、可编程的 can 通信控制器 sja1000 和 can 收 发器 pca82c250 组成的节点的设计方案。设计了基于 can 总线智能节点的硬件和软件， 并对节点的通信系统做了说明。 关键词关键词 can 总线，智能节点，通信 abstract the field bus technology is praised as the lan of the automatic field, it is integration of computer , communication , control technology. among them, can bus attach importance to by the people more and more with high performance , high dependability and unique design . the node of can bus can receive and transmit communication. intelligent node set up parameter about working , address of id and baud rate etc through program. this paper introduces development background of field bus and development background , main character, protocol layer and transmitting message of canbus , and includes more detailed introduction to can bus every nodal component . use the scm at89c51,can controller sja1000, pca82c250 through demonstration and comparison . on the basis of can bus，design hardware and software with intelligent node ,and illuminate communication subsystem. key word can bus，intellectual node，communication 目录 前言 1 第 1 章 can 现场总线介绍2 11 现场总线发展背景 2 12 can 现场总线发展背景 2 13 can 现场总线应用现状及主要特点 3 14 can 现场总线协议分层 5 15 can 现场总线报文传输 5 16 can 现场总线优越性论证 6 第 2 章 can 现场总线控制器与收发器概述.7 21 can 通信控制器 sja1000 功能简介 7 22 sja1000 验收滤波器的工作原理 8 23 pca82c250-can 收发器功能简介 .9 第 3 章 can 总线智能节点设计10 31 can 现场总线智能节点设计方案论证 .10 32 智能节点硬件电路设计 .11 33 智能节点通信设计 .12 3.3.1.初始化子程序12 3.3.2.发送子程序16 3.3.3.查询方式接收子程序17 第 4 章 结束语 19 谢 辞 20 参考文献 .21 附 录 22 附表 1 几种现场总线技术特性的比较.22 附表 2 sja1000 引脚功能23 青岛大学专科生毕业论文（设计） 1 前言 近年来，随着信息技术的飞速发展以及控制、计算机、通信、网络等技术的融合， 信息交换已经渗透到工业生产领域的各个层次，从现场设备到控制管理的各个层次。传 统的 rs-232、rs-485 和 ccittv.24 通信标准和通信系统已经远远不能满足工业现场的通 信需要。传统的现场控制技术及现场监控设备正在发生一场新的革命，这就是以全数字 式现场总线为代表的现场控制仪表，设备的互连规范，在全世界范围内兴起。以现场总 线为基础的全数字控制系统将现有的模拟信号电缆用高容量的现场总线网络代替，从而 大大减轻现场信号电缆连接的费用和工作量，提高信号的传输效率，提高信号传输的精 密和灵活性，为工业现场用户带来了巨大的好处。 现场总线技术是自动化领域发展的热点，是用于现场仪表与控制系统和控制室之间 的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的串行通信系统， 被誉为自动化领域的局域网，它是计算机技术、通信技术、控制技术的集成。 现场总线控制系统打破了传统控制系统的结构形式。传统模拟控制系统采用一对一 的物理连接，而现场总线控制系统把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总 线为纽带，将每个网络节点连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统和 控制系统。现场总线中的传感器、变送器、执行机构均置入微控制器。使它们具备了数 字计算和数字通信的能力，信息的传输不再依赖于控制室内的计算机或控制仪表，直接 在现场的个网络节点完成，实现了彻底的分散，有力地推动了测控系统向数字化、网络 化、智能化方向发展。 在这些总线标准中，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，在国外已有很多大公司的产品采用了这一技术。 can 是英文 controller area network 的缩写，即控制器局域网络，是一种主要用于 各种过程（设备）检测及控制的网络，最初是为汽车的检测、控制系统而设计的。众所 周知，现代汽车越来越多的采用电子控制装置来控制如发动机定时、注油以及复杂的加 速刹车控制（asc） 、抗锁定刹车系统（abs）等。但存在由于这些部件及参数的监控需要 交换大量的数据，如果采用硬接信号线的方法势必繁琐而且昂贵等一些问题，用传统方 法是很难解决的，采用 can 后就能很好的解决这些问题了。其中 can 总线的总线规范现 已被 iso 国际标准组织制订为国际标准（iso11898），得到多个公司的支持，已广泛应 用为离散控制领域。can 已被公认为几种最有前途的现场总线之一。 本文着重介绍了基于 can 总线的节点以及通信系统的设计。 青岛大学专科生毕业论文（设计） 2 第 1 章 can 现场总线介绍 11 现场总线发展背景 在计算机数据传输领域内，长期以来使用 rs-232 和 ccittv.24 通信标准，尽管它们 被广泛地使用，但却是一种低数据速率和点对点的数据传输标准，无能力支持更高层次 的计算机之间的功能操作。同时，在复杂或大规模的应用（如工业现场控制或生产自动 化领域）中需要使用大量的传感器、执行器和控制器等，它们通常分布在非常广的范围 内，如果在最低层上采用传统星型拓扑结构，那么安装成本和介质造价都将非常昂贵； 采用流行的 lan 组件及环型或总线型拓扑结构，虽然可以减少电缆长度，但是增加的 lan 介质及相关硬件和软件又使其系统造价与星型系统相差无几。所以在最低层次上的确需 要设计出一种造价低廉而又能经受工业现场环境的通信系统，随着计算机技术的高速发 展，计算机技术尤其是网络技术与控制结合使我们的想象成为可能。现场总线技术应运 而生，现场总线（field bus）就是在这种背景下产生的。 现场总线是用于过程控制现场仪表与控制室之间的一个标准的、开放的、双向的多 站数字通信系统。随着计算机技术、通讯技术、集成电路技术的发展，以全数字式现场 总线（field bus）为代表的互联规范，正在迅猛发展和扩大。由于采用现场总线将使控 制系统结构简单，系统安装费用减少并且易于维护；用户可以自由选择不同厂商、不同 品牌的现场设备达到最佳的系统集成等一系列的优点，现场总线技术正越来越受到人们 的重视。发展现场总线的初衷是建立开放的控制通信网络，其通信协议理应趋于统一， 但近十几年由于现场总线的国际标准不能建立，现场总线发展的种类较多，约有 40 余种： 如德国西门子公司 siemens 的 profibus，法国的 fip，英国的 era，挪威的 fint，echelon 公司的 lonworks，phenix contact 公司的 interbus，rober bosch 公司 的 can，rosemounr 公司的 hart，carlo garazzi 公司的 dupline，丹麦 process data 公 司的 p-net，peter hans 公司的 f-mux，以及 asi（actratur sensor interface） ， modbus，sds，arcnet，国际标准组织-基金会现场总线 ff：field bus foundation，worldfip，bitbus，美国的 devicenet 与 controlnet 等等。 12 can 现场总线发展背景 任何从事电气控制系统的设计、安装、调试、维修人员时刻面临着大量复杂的控制 线路，也就意味着较大的工作量。能够在实现系统要求功能的情况下设计最简洁、可靠 的线路成为控制线路设计人员追求的一种高水平的境界。简洁的控制线路意味着为了减 小发生在控制线路上小的故障率而做更多的工作。 如果所有的控制线路简化到像现在大多的民用电器的供电线路一样只用一对双绞线， 青岛大学专科生毕业论文（设计） 3 每个传感器、动作单元的控制线都挂到这对双绞线上，所有的主控设备也都挂到双绞线 上，主控设备可以在线路上找到与自己有关的被控对象进行控制而与在线的其它主控设 备、被控单元无关。那么控制线路的设计、接线、维护工作将轻松到极点了。 工控界有诸多专家预言：二十一世纪工控界将发生一次技术革命:用户可将不同的公 司生产的不同现场总线标准的现场仪表和 dcs 挂接在同一个现场总线上，其优异的性能 必将取代诸多控制手段而成为控制系统的主流。 can(controller area network)控制器局域网络是在 20 世纪 80 年代初由德国的 bosch 公司提出为解决汽车内部的复杂硬信号连接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。目前，其应用范围已不 再局限于汽车工业，而向过程控制、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器 械及传感器等领域发展。can 总线以其独特的设计，低成本、高可靠性、实时性、抗干扰 能力强、纠错能力强等特点在测控领域获得广泛应用，成为一种新型的工业控制现场总 线方案。 但是，can 芯片只提供了开放系统互连参考模型中的物理层和链路层功能，一般用户 必须直接用驱动程序操作链路层，不能直接满足工业控制网络的组态和产品互连的要求， 为了以 can 芯片为基础构成完整的工业控制现场总线系统，必须制定相应的应用层协议， 实现系统的组态、设备互连和兼容功能。为此 1992 年在德国成立了“自动化 can 用户和 制造商协会” （cia） ，开始着手制定自动化 can 应用层协议 canopen。此后，协会成员开 发出一系列 canopen 产品，在机械制造、铁路、车辆、船舶、制药、食品加工等领域获 得大量应用。 1993 年 11 月 iso 正式颁布了道路交通运输工具、数据信息交换、高速通信控制器局 欲网国际标准 iso11898can 高速应用标准，iso11519can 低速应用标准。这为控制器局域 网的标准化、规范化铺平了道路。目前 canopen 协议已经被提交欧洲标准委员会讨论， 作为一种新的工业现场总线标准 en-50325-4。 can(controller area network)属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控 制或实时控制的串行通信网络。can 遵循 iso 的标准模型，分为数据链路层和物理层。在 工程上，这两层通常由 can 控制器和收发器实现的。can 控制系统主要由操作站、智能节 点以及 can 现场控制网络组成。操作站主要完成在线系统监控，多个智能节点各自独立 完成数据采集、系统设定、运行显示控制等，通过 can 现场总线，在操作站和智能节点 之间交换各种数据和管理控制信息。can 应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络。 13 can 现场总线应用现状及主要特点 can 网络（controller area network）就是现场总线技术的一种，它是一种架构开 放、广播式的新一代网络通信协议，称为控制器局域网现场总线，是类似 lan（local 青岛大学专科生毕业论文（设计） 4 operating network ）局域网的新型控制规范。是现今世界上最为流行控制手段-现场 总线的一种形式。can 网络具有反应快、可靠性高的特性，使用在要求实时处理的场合， 例如汽车刹车防锁死系统安全气囊等。今天此项通信协议已得到广泛应用，众多厂商制 造供应高温度等级、具有高抗干扰能力的低价位 can 芯片，其特色不仅在汽车工业，在 工业控制的其他领域更能发挥其强大的能力。目前，can 总线以其高性能、高可靠性、实 时性等优点，而被广泛应用于控制系统中的检测和执行机构之间的数据通信中。 can 总线有如下特点： can 总线插卡可以任意插在 pc at xt 兼容机上，方便地构成分布式监控系统。 can 可以多主方式工作，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上其 它节点发送信息，而不分主从，通讯方式灵活，且无需站地址等信息。利用这一特点也 可以方便地构成多机备份（容错）系统。 canbus 网络上节点信息可分成不同的优先等级，可以满足不同的实时要求，高优 先级的数据最多可在 134s 内得到传输。 can 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向网络上传送信息时，优先级低 的节点会主动停止数据发送，而优先级最高的节点可不受影响地继续传输数据，有效避 免了总线冲突，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，尤其是在网络负载很重的情况下也 不会出现网络瘫痪情况（以太网则可能会出现网络瘫痪） 。 can 可以点对点、一点对多点（成组）及全局广播集中方式传送和接受数据。 canbus 直接通讯距离最远可达 10km（速率 5kbps 以下） ，通讯速率最高可达 1mbps（此时距离最长为 40m） 。 canbus 上节点数理论值为 2000 个，实际可达 110 个，它主要取决于总线驱动能力 的大小；报文标志符可达 2032 种（can2.0a） ，而扩展标准（can2.0b）的报文标识符几 乎不受限制。 can 采用短帧结构，每一帧的数据段长度最多为 8 个字节，可满足通常工业领域中 控制命令、工作状态及测试数据的一般要求，并可保证通信的实时性，这样短的传输时 间，受干扰的概率低，重新发送的时间短，具有极好的检错效果。 can 的每帧信息都有 crc 效验及其他检错措施，保证了数据的出错率极低。 通讯介质采用廉价的双绞线、同轴电缆或光缆，无特殊要求，用户可灵活选择。 can 节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系， 以使总线上其它操作不受影响。 nrz 编码/解码方式，并采用位填充（插入）技术。 用户接口简单，编程方便，很容易构成用户系统。 开发系统廉价，oem 用户容易操作，inter、philips 等芯片厂家均生产具有 can 接口的 80c51 芯片。 故而 canbus 是符合中国国情的一种现场总线。 can 总线是一种多主总线系统，特别适合工业过程监控设备的互连，因此越来越受到 青岛大学专科生毕业论文（设计） 5 工业界重视。而且，can 具有的完善的通信协议可由 can 控制器芯片及其接口芯片来实现， 从而大大降低系统开发难度，缩短了开发周期。另外，can 已被公认为几种最有前途的现 场总线之一。can 总线规范已被 iso 国际标准组织制订为国际标准。can 协议也是建立在 国际标准组织的开放系统互联参考模型基础上的，主要工作在数据链路层和物理层。 用户可在其基础上开发适合系统实际需要的应用层通信协议，但由于 can 总线极高 的可靠性，从而使应用层通信协议得以大大简化。 14 can 现场总线协议分层 can 总线协议主要描述设备之间的信息传递方式，从结构上可分为 3 个层次，分别对 应 osi 标准网络模型的最低两层：数据链路层和物理层。can 总线协议层次结构有高到低 如下表所示。 can 总线协议分层结构 协议层 对应 osi 模 型 说明 llc 逻辑链路控制层，用于为链路中的数据传输提供上层控制手段 mac 数据链路层 媒体访问控制层，用于控制仲裁、错误界定等数据传输具体实现 物理层物理层作用是在不同节点间根据所有的电气属性进行位的实际传输 llc 层和 mac 层也可以看作是 can 总线数据链路层的两个子层。其中 llc 子层的主要 功能是：为数据传送和远程数据请求提供服务，确认有 llc 子层接收的报文实际已被接 收，完成报文滤波、过载通知和恢复管理等工作。在定义目标处理时，存在许多灵活性。 mac 子层的功能主要是传送规则，亦即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故 障界定。mac 子层也要确定，为开始一次新的发送，总线是否开放或者是否马上开始发送。 位定时性也是 mac 子层的一部分。mac 子层不存在修改的灵活性。物理层的功能是有关全 部电气特性在不同节点间的实际传送。自然，在一个网络中，物理层的所有节点必须是 相同的，然而，在选择物理层时存在很大的灵活性。 15 can 现场总线报文传输 总线上的信息以不同格式的报文发送，但长度有限制。当总线开放时，任何连接的 单元均开始发送一个新报文。can 总线在进行数据传输时，每次传输的数据都是由一个位 串组成的，这个位串被称之为“帧” 。为了实现数据传输和链路控制，can 总线提供了 4 种帧结构，它们分别位带有应用数据的数据帧、向网络请求数据的远程帧、能够报告每 个节点错误的出错帧以及如果节点的接收器电路尚未准备好就会延迟传送的过载帧。在 这 4 种帧结构中，又可以将一帧分为几个部分，每一部分负责不同的功能，这些部分被 称为“位场” 。数据帧用于将数据从发送器传输到接收器，它由 7 个不同的位场组成：帧 青岛大学专科生毕业论文（设计） 6 起始、仲裁场、控制场、数据场、crc 场、应答场和帧结束（在 can2.0b 中存在，具有 11 位标识符的数据帧称为标准帧；具有 29 位标识符的数据帧称为扩展帧） ；远程帧用于 接收器向发送器请求数据发送，它由帧起始、仲裁场、控制场、crc 场、应答场和帧结束 这 6 个位场组成；出错帧用于报告数据在传送过程中发生的错误，该帧由 2 个位场组成： 错误标志叠加和错误界定符；过载帧用于在接收器未准备好的情况下请求延时数据帧和 远程帧，由过载标志和过载界定符两个位场组成。 16 can 现场总线优越性论证 在报文内容简单、通信距离和通信速率适中的应用场合，基于 can 总线的控制系统 较之其他现场总线有许多明显的优越性，如：较之目前许多 rs-485 基于 r 线构建的控制 系统而言，在以下方面具有明显的优越性： can 控制器工作于多主方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先级别(取决于 报文标识符)采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，且 can 协议废除了站 地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据， 这些特点使得 can 总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，并且容易构成冗余 结构，提高系统的可靠性和系统的灵活性。 而利用 rs-485 只能构成主从式结构系统，通信方式也只能以主站轮询的方式进行， 系统的实时性、可靠性较差； can 总线通过 can 控制器接口芯片 82c250 的两个输出端 canh 和 canl 与物理总线 相连，而 canh 端的状态只能是高电平或悬浮状态，canl 端只能是低电平或悬浮状态。而 且 can 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不 受影响。 而在 rs-485 网络中，当系统有错误，出现多节点同时向总线发送数据时，会导致总 线呈现短路，从而损坏某些节点。因个别节点出现问题，会使得总线处于“死锁”状态。 can 具有的完善的通信协议可由 can 控制器芯片及其接口芯片来实现，从而大大降 低系统开发难度，缩短了开发周期，这些是只仅仅有电气协议的 rs-485 所无法比拟的。 另外，与其它现场总线协议标准比较而言，canopen 具有以下特点： cia 是非赢利组织。canopen 是公共和开放的协议，不代表个别公司的利益；免费 发布全部技术资料。从 cia 网站上可以随时获得最新的 can 协议文本。 物理层采用 can 芯片。由于其应用领域广泛、产量大，实际上已经成为一种通用 芯片，是采购方便，不受他人限制。 协议精练、透明、便于理解；降低了驱动程序的开发难度。 can 总线与其它几种现场总线比较而言，can 总线是具有通信速率高、容易实现、且 性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线，并且是最容易实现、价格最为 青岛大学专科生毕业论文（设计） 7 低廉的一种，但其性能并不比其它现场总线差。这些也是目前 can 总线应用于工业现场 控制、智能大厦、小区安防、交通工具、医疗仪器、环境监控等众多领域，具有强劲的 市场竞争力的重要原因。几种现场总线技术特性的比较见附表 1。 第 2 章 can 现场总线控制器与收发器概述 21 can 通信控制器 sja1000 功能简介 can 的通信协议主要由 can 控制器完成。can 控制器主要由实现 can 总线协议的部分 和实现与微处理器接口部分的电路组成。对于不同型号的 can 总线通信控制器，实现 can 协议部分电路的结构和功能大多相同，而与微处理器接口部分的结构和方式存在一些差 异。这里主要以 sja1000 为代表对 can 控制器的功能作一个简单介绍。 sja1000 是一种独立 can 控制器。它是 philips 公司的 pca82c200 can 控制器的替代 产品。sja1000 具有 basiccan 和 pelican 两种工作方式。pelican 工作方式支持具有很 多新特性的 can 2.0b 协议。 sja1000 在软件和引脚上都是与它的前一款 pac82c200 独立 can 控制器兼容的 （sja1000 引脚功能如附表 1 所列） ，在此基础上增加了很多新的功能。为了实现软件兼 容，sja1000 采用了两种工作方式：basiccan 方式（pca82c200 兼容方式）和 pelican 方 式（扩展特性方式） 。工作方式通过时钟分频寄存器中的 can 方式位来选择。上电复位默 认工作方式是 basiccan 方式。basiccan 和 pelican 方式的区别如下： 在 pelican 方式下，sja1000 有一个重新设计的含很多新功能的寄存器组。sja1000 包含 pca82c200 中的所有位，同时增加了一些新的功能位。pelican 方式支持 can2.0b 协 议规定的所有功能（29 位的标识符） 。 sja1000 的主要功能如下： 标准结构和扩展结构报文的接收和发送； 64 字节的接收 fifo； 标准和扩展帧格式都具有单/双接收滤波器（含接收屏蔽和接收码寄存器） ； 具有丢失仲裁定位功能的丢失仲裁中断； 硬件禁止 clkout 输出 和 pca82c200 独立 can 控制器引脚兼容； 和 pca82c200 独立 can 控制器电气兼容； pca82c200 模式(即默认的 basiccan 模式)； 扩展的接收缓冲器(64 字节、先进先出 fifo)； 和 can2.0b 协议兼容(pca82c200 兼容模式中的无源扩展帧)； 同时支持 11 位和 29 位识别码； 青岛大学专科生毕业论文（设计） 8 位速率可达 1mbits/s； pelican 模式扩展功能： -可读/写访问的错误计数器 -可编程的错误报警限制 -最近一次错误代码寄存器 -每一个 can 总线错误都可以产生错误中断 -具体控制位控制的仲裁丢失中断 -单次发送(当发生错误或丢失仲裁时不重发) -只听模式(监听 can 总线，无应答，无错误标志) -支持热插拔(无干扰软件驱动位速率检测) -验收滤波器扩展(4 字节代码，4 字节屏蔽) -自身信息接收(自接收请求) -24mhz 时钟频率； -对不同微处理器的接口； -可编程的 can 输出驱动器配置； -增强的环境温度范围(-40-+125)。 22 sja1000 验收滤波器的工作原理 在 sja1000 验收滤波器的作用下，只有当接收报文中的标识位和验收滤波器预定义 的位值相等时，can 控制器才允许将已接收到的报文存入 rxfifo。 sja1000 验收滤波器由 4 个验收代码寄存器（acrn）和 4 个验收屏蔽寄存器（amrn） 组成，与 82c200 的相比，主要有 2 个不同点：一是标志符由原来的 11 位扩展到 29 位； 二是滤波方式由原来的单一方式改为单滤波和双滤波 2 种方式。要接收的报文的位模式 在验收代码寄存器个定义。相应的验收屏蔽寄存器允许定义某些位为“无关” 。 有两种不同的过滤模式可由模式寄存器中的位（mod.3，afm）选择： 单过滤模式（afm 位是 1）即由 4 个验收码寄存器和 4 个验收屏蔽寄存器组成一个 验收滤波器，总线上的信息只有通过了它的验收滤波才予以接收。 对于标准帧，11 位标志符和 rtr 位对应，。其中 0 acr 1 acr 0 amr 1 amr 和的低 4 位未使用。由于标准帧有包括 rtr 位的 12 位标志符，故数据场的前 1 acr 1 amr 2 字节也参与滤波。数据 1 对应和。参与滤波的数据将不能作为用户数据使 3 acr 3 amr 用。 对于扩展帧，包括 rtr 位的 30 位标志符对应 4 个验收码寄存器和 4 个验收屏蔽寄存 器，此时和的低 2 位未使用。可见，单滤波方式更适合于扩展帧。 3 acr 3 amr 青岛大学专科生毕业论文（设计） 9 双过滤模式（afm 位是 2）即由 4 个验收码寄存器和 4 个验收屏蔽寄存器定义 2 个 滤波器，接受的信息通过任意一个滤波器即可予以接收。 对于标准帧，第一个过滤器包括，和的低 0 acr 1 acr 0 amr 1 amr 3 acr 3 amr 4 位共 20 位，包括 rtr 位的整个标准识别符和信息的第一个数据字节。其中，和 0 acr 与和的高 4 位比较标志符；和的低 4 位与和的 0 amr 1 acr 1 amr 1 acr 1 amr 3 acr 3 amr 低 4 位比较第一个数据字节。此时，第一个数据字节也不能作为用户数据使用。第二个 过滤器为，和和的高 4 位共 12 位，比较包括 rtr 位的整个标 2 acr 2 amr 3 acr 3 amr 准识别符。 对于扩展符，构成第一个滤波器；， 0 acr 1 acr 0 amr 1 amr 2 acr 2 amr ， 构成第二个滤波器。参与滤波的是 29 位标志符的高 16 位。 3 acr 3 amr 23 pca82c250-can 收发器功能简介 pca82c250 收发器是 can 协议控制器和物理总线之间的接口，该器件对总线提供差动 发送能力并对 can 控制器提供差动接收能力，同时还可以大大增强总线的驱动能力。 pca82c250 收发器主要功能特点： 和“iso11898”标准完全兼容； 高速率(可达 1mbit/s)； 具有抗汽车环境中的瞬间干扰，保护总线能力； 斜率控制以降低射频干扰(rfi)； 差动接收器具有抗宽范围的共模干扰，有很强的抗电磁干扰(emi)的能力； 热保护； 对电源和地的短路保护； 低电流待机模式； 未供电的节点不会干扰总线； 至少可挂 110 个节点。 工作温度范围：-40+125 pca82c250 驱动电路内部具有限流电路，可防止发送输出极对电源、地或负载短路。 虽然短路出现时功耗增加，但不至于使输出极损坏。若结温超过大约 160，则两个发送 器输出端极限电流减小，由于发送器是功耗的主要部分，因而限制了芯片的温升。器件 的所有其他部分将继续工作。pca82c250 采用双线差分驱动，有助于抑制汽车等恶劣电气 环境下的瞬变干扰。 can 节点的通信有三种通信模式：高速模式、斜率控制模式、待机模式。三种模式的 青岛大学专科生毕业论文（设计） 10 选择是通过 pca82c250 端子的接法来实现的。高速模式下要求接一个 0-1.8k 的电阻到 地；斜率控制模式下要求接一个 16.5-140k 的电阻到地；待机模式下要求 rs 接到高电 平，至少保证 rs 的端电压大于 0.75vcc。 rs 提供条件工作模式rs 上的电压或电流 0.75vcc rs v 待机模式 |10a rs i -10a-200a rs i 斜率控制模式 0.3vcc0.6vcc rs v 0.3vcc rs v 高速模式 -500a rs i 第 3 章 can 总线智能节点设计 31 can 现场总线智能节点设计方案论证 can 的智能节点一般有 2 种实现方式:一，微控制器+can 控制器+can 收发器；二，集 成 can 控制器的微控制器+can 收发器。只要符合 can 总线规范的单元都可以通过 can 接 口接入 can 总线。can 总线得到了 intel、motorola、philips、siemens 等众多大公司的 支持,提供了许多可以实现 can 总线协议的芯片来供用户选择。另外，can 协议是完全公 开的，这些都给 can 总线的开发设计带来很大的方便。can 控制器有 philips 公司的 82c200、sja1000，intel 公司的 82526、82527 等。集成了 can 控制器的微控制器也很多， 如 philips 公司的 p8xc592/598，intel 公司的 196ca/cb，ti 公司的 tms320lf2407(dsp)等。 can 的收发器有 philips 的 82c250，ti 的 sn65hvd230 等。这些芯片一般都兼容最新的 can2.0a/b 协议。 方案一：基于 51 单片机和 sja1000 can 控制器的 can 节点实现 本方案采用 at89c51(普通单片机，不带 can 控制器)、sja1000(can 控制器)和 pca82c250 设计 can 节点。单片机和 sja1000 can 控制器都需要时钟信号(sja1000 的时 钟还是比较关键的，因为这将关系到以后总线波特率的设定，假如晶振太小，can 节点就 无法在高速模式下运行)，这里使用 24mhz 的晶振，51 单片机的时钟采用 sja1000 的 clkout 输出。 方案二：基于 dsp 芯片的嵌入式控制器 can 节点实现 ti 公司推出的 tms320lf240x 系列、 tms320lf28x 系列芯片是专门针对控制领域的 应用而设计的 dsp 芯片。这类芯片内部不但集成有丰富的控制类单元，而且也集成 can 控制器(兼容 can2.0a/b)，因此可以很方便地将基于 dsp 芯片的嵌入式控制系统设计 can 青岛大学专科生毕业论文（设计） 11 总线上的一个 can 节点接入，并且只占用 dsp 的两根 i/o 口线 (can 的发送和接收端与 i/o 是复用的)。本方案采用 tms320lf2407 作为微控制器和 can 发送器 pca82c250 设计 can 节点。它不但完成各类控制功能，而且完成总线的通信功能。需要注意的是：2407 采用低功耗设计，3.3v 供电，而 can 发送器 pca82c250 是 5v 供电，假如直接相连， 2407 肯定无法承受。采用两路光耦 6n137 起到隔离 dsp 和 can 总线的作用。 方案比较：由于 dsp 具有很强的数字信号处理能力，因此，基于 dsp 芯片设计的 can 节点常被用于处理信息量较大的场合。另外，在工控系统中，没有大量数据需要处理， 故在只要实现简单控制的场合，为了降低成本常采用单片机开发 can 节点。另外，使用 独立的 can 控制器 sja1000，系统开发人员可以根据所需从众多种类的单片机中选择最理 想的系统设计方案。 因此本实际采用方案一。根据协议的通用性以及硬件电路的可移植性，还可以方便 的移植到其他应用环境中，具有较大的实际应用意义。82c250 器件提供对总线的差动发 送能力和对 can 控制器的差动接受能力，完全和“iso11898”标准兼容。 32 智能节点硬件电路设计 在工业控制系统中，以及只要实现简单控制的场合，没有大量数据需要处理，为了 降低成本，常采用单片机开发 can 节点。图 1 所示为 can 总线系统智能节点硬件电路原 理图。从图 1 中可以看出，电路主要由四部分构成：微控制器 89c51、独立 can 通信控制 器 sja1000、can 总线收发器 82c250 和高速光电耦合器 6n137。微处理器 89c51 负责 sja1000 的初始化，通过控制 sja1000 实现数据的接收和发送等通信任务。 sja1000 在软件上和引脚上都是与它的前款 pca82c200 独立控制器兼容的，并增加了许多 新功能：标准帧数据结构和扩展帧数据结构，并且这两种帧格作为式都具有单/双接收过 滤器；64 字节的接收 fifo；可读写访问的错误计数器和错误限制报警以及只听方等。 sja1000 通过 can 控制器接口芯片 82c250 连接在物理总线上。82c250 器件提供对总 线的差动发送能力和对 can 控制器的差动接受能力，完全和“iso11898”标准兼容。 sja1000 的 ad0ad7 连接到 89c51 的 p0 口。cs 连接到 89c51 的 p2.0，p2.0 为 0 的 青岛大学专科生毕业论文（设计） 12 cpu 片外存储器地址可选中 sja1000，cpu 通过这些地址可对 sja1000 执行相应的读写操 作。sja1000 的 rd、wr、ale 分别与 89c51 的对应引脚相连，int 接 89c51 的 int0。89c51 也可通过中断方式访问 sja1000。 为了增强 can 总线节点的抗干扰能力，sja1000 的 tx0 和 rx0 并不是直接与 82c250 的 txd 和 rxd 相连，而是通过高速光点耦合器 6n137 后与 82c250 相连，这样就很好地实 现了总线上各 can 节点间的电气隔离。应该特别说明的一点是光耦部分电路所采用的两 个电源 vcc 和 vdd 必须完全隔离，否则采用光耦也就失去了意义。电源的完全隔离可采 用小功率电源隔离模块或带多 5v 隔离输出的开关电源模块实现。这些部分虽然增益了节 点的复杂程序，但是却提高了节点的稳定性和安全性。 82c250 与 can 总线的接口部分也采用了一定的安全和抗干扰措施。82cf250 的 canh 和 cahl 引脚各自通过 1 个 5 的电阻与 can 总线相连。电阻可起到一定的限流作用，保 护 82c250 免受过流的冲击。canh 和 canl 与地之间并联了 2 个 30pf 的小电容，可以起到 滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。另外，在两根 can 总线接入端与地 之间分别反接了 1 个保护二极管，当 can 总线有较高的负电压时，通过二极管的短路可 起到一定的过压保护作用。82c250 的 rs 脚上接有一个斜率电阻，电阻大小可根据总线通 信速度适当高调整，一般在 16140k 之间。 33 智能节点通信设计 can 总线节点的通信设计主要包括三大部分；can 节点初始化、报文发送和报文接收。 熟悉这三部分程序的设计，就能编写出利用 can 总线进行通信的一般应用程序。 3.3.1.初始化子程序 sja1000 的初始化只有在复位模式下才可以进行。初始化主要包括工作方式的设置、 接收滤波方式的设置、接收屏蔽寄存器（amr）和接收代码寄存器（acr）的设置、波特 率参数设置和中断允许寄存器（ier）的设置等。在完成 sja1000 的初始化设置以后， sja1000 就可以回到工作状态，进行正常的通信任务。 波特指信号大小方向变化的一个波形。把每秒传输信号的个数，即每秒传输信号 波形的变化次数定义为波特率。单位是波特。 通信波特率的计算。通信波特率由 btr0 和 btr1 决定。 假设 btr0=43h，btr1=2fh，晶振频率为 16mhz。 其中为 can 系统时钟的周期，为 xtal 的振荡周期。 scl t clk t btr0 各位功能如下： 青岛大学专科生毕业论文（设计） 13 d7d6d5d4d3d2d1d0 sjw.1sjw.0brp.5brp.4brp.3brp.2brp.1brp.0 系统时钟的计算： （32brp.5+16brp.4+8brp.3+4brp.2+2brp.1+brp.0+1） clkscl tt2 btr0=43h=01000011b 因为，s f t clk clk 6 1016 11 所以，stscl 566 102 1 4 1016 1 2) 1120000( 1016 1 2 同步跳转宽度的计算： 为补偿不同总线控制器时钟振荡器之间的相移，任何总线控制器必须同步于当前进 行发送的相关信号沿。 sclsclsclsjw ttsjwsjwtt2) 110() 1 0 . 1 . 2( btr1 各位功能如下： d7d6d5d4d3d2d1d0 samtseg2.2tseg2.1tseg2.0tseg1.3tseg1.2tseg1.1tseg1.0 计算和。 1tseg t 2tseg t =1 syncseg t scl t ) 10 . 11 . 122 . 143 . 18( 1 tsegtsegtsegtsegtt scltseg ) 10 . 21 . 222 . 24( 2 tsegtsegtsegtt scltseg btr1=2fh=00101111b sclscltseg ttt16) 11248( 1 sclscltseg ttt3) 1020( 2 位周期 t t=+=1+16+3=20=20=s syncseg t 1tseg t 2tseg t scl t scl t scl t scl t 6 102 1 5 10 1 通信波特率=1/t=skbitsbit/100/105 can 任意两个节点之间的传输距离与其通信波特率有关，当采用 philips 公司的 sja1000can 通信控制器时，并假设晶振频率为 16mhz，通信距离与通信波特率关系如下 表所示。 位速率最大总线长度总线定时 青岛大学专科生毕业论文（设计） 14 btr0btr1 1mbit/s40m00h14h 500kbit/s130m00h1ch 250kbit/s270m01h1ch 125kbit/s530m03h1ch 100kbit/s620m43h2fh 50kbit/s1.3km47h2fh 20kbit/s3.3km53h2fh 10kbit/s6.7km67h2fh 5kbit/s10km7fh7fh 下面是 sja1000 初始化的 51 汇编源程序。程序中寄存器符号表示的是 sja1000 相应寄存器占用的片外存储器地址，这些符号可在程序的头部用伪指令 equ 进行定义。 nbtr0 equ 30h ；波特率控制字 0 nbtr1 equ 31h ；波特率控制字 1 amrbf equ 32h ；验收屏蔽寄存器缓冲区 acrbf equ 36h ；验收代码寄存器缓冲区 txbf equ 40h ；ram 内发送缓冲区 rxbf equ 50h ；ram 内接收缓冲区 mod equ 0bf00h ；模式寄存器 cmr equ 0bf01h ；命令寄存器 sr equ 0bf02h ；状态寄存器 ie equ 0bf03h ；中断寄存器 ier equ 0bf04h ；中断使能寄存器 btr0 equ 0bf06h ；总线定时寄存器 0 btr1 equ 0bf07h ；总线定时寄存器 1 ocr equ 0bf08h ；输出控制寄存器 alc equ 0bf0bh ；仲裁丢失捕捉寄存器 ecc equ 0bf0ch ；错误代码捕捉寄存器 ewlr equ 0bf0dh ；错误报警限额寄存器 rxerr equ 0bf0eh ；rx 错误计数器 txerr equ 0bf0fh ；tx 错误计数器 rxb equ 0bf10h ；接收缓冲器 txb equ 0bf10h ；发送缓冲器 acr equ 0bf10h ；验收代码寄存器 amr equ 0bf14h ；验收屏蔽寄存