（交通信息工程及控制专业论文）微机监测系统的CAN总线研究.pdf

北塞銮通盘竺亟堂位论塞生塞擅至 中文摘要 摘要：本论文是基于铁路信号微机监测系统的开发研究而展开的。论文的研究方 向是在该分布式监测系统中，各采集机与站机之间采用可靠、高速、易配置的c a n 通信网络，以及如何保证通信系统在铁路站复杂的现场环境中可靠的运行在通 信控制策略上采用双c a n 总线全面冗余设计，在软硬件开发上采用多种可靠性设 计。本论文详细阐述了软硬件设计思想及关键技术，并针对微机监测系统各采集 机的具体项目情况，分别进行软硬件规划和功能设计，完成软硬件测试及运行试 验，并得到了成功的实际应用。本论文对c a n 总线各方面的传输性能，包括通信 实时性、通信能力、波特率及负载率等，做了较为深入的研究，并设计了一些测 试方法来考察各种因素对c a n 总线性能有何影响。图2 l 幅，表3 0 个，参考文献 3 0 篇。 关键词：c a n 总线；嵌入式系统；微机监测；铁路信号 分类号：u 2 8 3 1 a b s l r a c t a b s t r a c t ：t 1 l i sp a p e ri sm a i n l ya b o u tt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f t h ec o m p u t e r b a s e d s u p e r v i s i o ns y s t e mu s e di nr a i l w a ys i g n a l i n gf i e l d n ”a i mr e s e a r c ho f t h i sp a p e r i st og u a r a n t e et h ef u n c t i o no fc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw h i c hi sc o n s t r u c t e db yt h e r e l i a b l e , h i g h - s p e e da n de a s yc o n f i g u r a b l ec a n b u sn e t w o r kb e t w e e nt h eh o s td e v i c e a n dt h ed a t ac o l l e c t e dd e v i c ep e r f o r m i n g i n gw e l lu n d e rt h ec o m p l i c a t e dc o n d i t i o ni n r a i l w a ys t a t i o n s af u l l - s c a l ed u a l - c a nb u sd e s i g ni su s e da sc o m m u n i c a t i o ns t r a t e g y , m e a n w h i l et h e r ea r ek i n d so fd e s i g nb o t hi ns o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e v e l o p m e n tt o e n h a f l c et h er e l i a b i l i t y , w h o s et h o u g h t w a ya n dk e yt e c h n i ca r ed e s c r i b e di nd e t a i l i nt h e a r t i c l e , as p e c i f i cp r o j e c ti sd e s i g n e db o t hi ns o f t w a r ea n dh a l d w a r e a f t e rt h ep r o c e s so f e x p e r i m e n ta n dt e s t , t h es y s t e mp e r f o r m sf u n c t i o n a l l y f u r t h e rr e s e a r c hi nt h ea s p e c t s i n c l u d i n gr e a l - t i m ea b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o n , c a p a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o n , b a u dr a t e a n dn e t w o r kl o a dr a t ei sd o n ei nt h i sp a p e r k i n d so f m e t b o dt ot e s tt h ep e r f o r m e n c eo f c a nb u sw h i c hc o u l db ei n f l u e n c e db yt h ef a c t o r sm e n t i o n e da b o v ea r ed e s i g n e da n d i m p l e m e n t e d 2 1f i g u r e s , 3 0t a b l e s ，3 0r e f e r e n e e s k e y w o r d s ：c a nb u s ；e m b e d d e ds y s t e m ；c o m p u t e rb a s e ds u p e r v i s i o ns y s t e m ； r a i l w a ys i g n a l i n g c l a s s n o ：u 2 8 3 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：荡抄 、 签字日期：埘年1 p 月。蛤日 导师躲锄 签字日期：前年l2 ，月媚 | 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者躲嚏耙签字魄训7 年蝴日 致谢 本论文的工作是在我的导师戴胜华副教授的悉心指导下完成的，戴老师严谨 的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来戴 老师对我的关心和指导。 蒋大明副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向蒋老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，蔡弘、翟登、韩鹏飞、马丽娜、马晓娇、马 骁等同学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 序 微机监测系统是保证行车安全、加强信号设备结合部管理、监测铁路信号设 备运行质量的重要行车设备。随着铁道运输事业的发展，对微机监测系统实时性、 可靠性和信息化的要求也相应提高 本论文旨在对现有的2 0 0 0 版微机监测系统采集机部分进行性能上的升级，并 结合该系统对c a n 总线进行较为深入的研究。 论文首先对微机监测系统的发展历史及现状进行综述，并结合c a n 总线性能 特点，阐述了铁道部制定的站机采集机通讯协议标准( 2 0 0 0 年版本) 。论文以飞 利浦公司3 2 位a r m 7 带双c a n 控制器的嵌入式微处理器l p c 2 2 9 2 为主要控制芯 片，完成了c a n 通信软件开发，并实现了双c a n 冗余控制。接下来论文对c a n 总线的实时性、传输速率等各方面的性能提出一些测试方法，并进行了较为全面 的测试，列举了一些影响c a n 总线性能的因素和参考建议。论文最后总结了论文 韵主要成果，提出了论文的不足之处。 本课题是和北京交大微联科技有限公司合作开发的项目。 e 塞銮堑厶雯亟翌僮途塞邀拯堕型丕筮绽述 l 微机监测系统综述 1 i微机监测系统简介 微机监测系统是铁路装备现代化的重要组成部分。它把现代最新技术，如传 感器、现场总线、计算机网络通信、数据库及软件工程等技术，融为一体，监测 并记录信号设备的主要运行状态，为电务部门掌握设备的运用质量和故障分析提 供科学依据。同时，系统还具有数据逻辑判断功能，当信号设备的工作情况偏离 预定界限或出现异常时及时报警，避免因设备故障或违章操作影响列车的安全、 正点运行。 微机监铡系统使信号设备具有了自诊断功能，从而大幅度提高了信号系统的 安全性。它能在信号设备运行时，全天侯反映设备运用状态，能发现潜在性故障， 排除故障隐患，而且它运用计算机技术通过逻辑判断，有利于捕捉瞬间故障和问 歇性故障，通过回放再现，有利于分析故障，分清责任。微机监测系统能够掌握 信号设备工作状态和变化趋势，是推行信号设备状态修的技术基础，为维修决策 提供科学依据。它通过网络将各站信号设备运行信息传到车问、f i e 务段、铁路分 局、铁路局，便于指导维修工作，加强生产指挥，实现科学管理。 微机监测系统是由铁道部、铁路局、铁路分局上层检测设备和电务段，车间 ( 领工区) 、车站基层监测设备组成的，监测本单位管辖内各车站信号设备运行状 态的网络系统。微机监测系统应用计算机和信息采集机实时检测各种信号设备。 检测对象的类型大体上可以分为模拟量和开关量模拟量包括：电源屏电压、轨 道电路电压、道岔动作电流、电缆绝缘电阻和电源对地漏泄电流等开关量包括： 关键继电器状态，控制台按钮与标识灯状态，熔丝状态、灯丝状态和道岔表示缺 口状态等i l 】。 1 2微机监测系统的发展和现状 微机监测系统是随着计算机技术的发展而发展起来的，经过了十几年的艰苦 探索。1 9 9 7 年铁道部组织了联户攻关，制定了技术原则。研制开发了第一代t j w x 型信号微机监测系统，并且在五大干线上推广应用，为监督电务设备运用状态及 铁路运输安全做出了贡献 2 0 0 0 年初，铁道部把信号微机监测系统列为保证铁路运输安全的首要措施， 把微机监测系统称为电务系统的“黑匣子”，按行车安全设备对待。 目前，现场推广使用的t j w x - 2 0 0 0 型信号微机监测系统是铁道部在2 0 0 0 年 组织联合攻关的产品【2 】，是专家集体智慧的结晶。该系统技术先进，功能完善，界 面友好，操作简单，制式统一，便于联网，具备全路联网功能，能够准确的判断 设备故障和违章操作带来的事故隐患，防患于未然。 1 3微机监测系统的主要技术要求2 】 1 3 1模拟量在线监测 电源屏监测：电网输入状态、电源屏输出电压； 电源对地漏泄电流监测：输出电流对地漏泄电流； 转撤机监测：道岔转换全过程中电动转撤机动作、故障电流、动作时间： 轨道电路监测：轨道接受端交流电压； 电缆绝缘监测：电缆芯线全程对地绝缘： 区间自动闭塞监测：闭赛分区轨道电路发送、接收端电压； 站内电码化监测：电码化轨道电路发送端电流、电压； 1 3 2开关量在线监测 按钮状态、控制台表示、功能型继电器状态监测：开关量实时状态变化； 1 3 3其它监测内容 列车信号主灯丝断丝监测； 道岔表示缺口监测： 道岔实际位置与室内表示不一致动态监测，记录并报警： 站内电码化发码、传输继电器状态监测并记录； 记录集中式区间信号机点灯、区间轨道电路占用状态； 1 3 4 故障报警 2 一级报警：涉及到行车安全的信息； 二级报警：影响行车和设备正常工作的信息； 三级报警：电气特性超标。 1 4 微机监测系统结构 该微机监测系统由车站系统、车间机、电务段管理系统、上层网络终端( 包括 分局、路段、铁道部监测终端) ，以及广域网数据传输系统组成。 本文主要关注车站系统。车站系统是信号微机监测系统最基本的单元，负责数 据的采集、分类和处理，实现信号设备的实时监测和人机对话。它包括站机、采 集机、采集柜、隔离采集模块等。其结构图如下： 采集柜 图1 - 1 微机监测系统结构 f i g u r e1 - 1t h ea r c h i t e c t m vd i a g r a mo f c o m p u t e f b a s e ds u p e r v i s i o ns y s t e m 其中站机完成实时监测和人机对话，收集数据、处理数据( 分类成图表) 、存 储数据、查看数据等。 采集机在线采集数据，并进行预处理。 隔离转换但与用于采集模拟量或开关量数据。 本文主要关注采集机。 3 j 塞塞塑厶堂亟堂垃迨塞邀扭堕麴丕统绫姿 1 5 采集机的功能 采集机用于在线采集各种信号设备的模拟量或开关量数据，对各种数据进行 预处理，并传送给站机。站机与采集机之间的通信选用国际流行的c a n 现场总线， 可挂接3 2 个采集机。 每个采集机均由l 块电源板、1 块c p u 板和若干块接口板组成。c p u 采用 8 0 c 1 9 6 k b ，具有集成度高、功能强、耗电少等特点，适用于实时自动监测和自动 控制系统。采集机的微处理器( c p u ) 通过总线板对采集机接口板读取数据或进 行测量控制 采集机具有以下功斛2 1 ： 1 采集与暂存模拟量和开关量： 2 将各种数据进行预处理后，传送给站机； 3 接收并执行站机命令； 4 具有自检功能； 5 与站机校核时钟。 采集机按功能划分为综合采集机、道岔采集机、轨道采集机、开关量采集机、 移频采集机和其他专用采集机。 综合采集机： 1 采集电源屏输入输出电压； 2 采集电源屏相序及瞬问断电； 3 采集电缆对地绝缘、电源屏对地漏泄电流： 4 监测熔丝、灯丝断丝。 道岔采集机： 1 采集控制台道岔表示灯状态、i d q j 和2 d q j 状态； 2 监测道岔( 普通提速) 动作电流曲线； 3 道岔表示的一致性监测和报警； 4 s j 封连的监灏和报警。 轨道采集机： 1 采集交流连续式轨道电路受电端交流电压； 2 采集轨道继电器状态。 移频采集机： 1 采集区问信号灯及f m j 状态； 2 监测区问移频发送、接收电压和电码化电压、电流。 开关量采集机： 4 1 采集各种开关量信息 1 6 采集机的系统结构 采集机的设计均采用组匣式、总线板结构。每台采集机占用一个组匣，可插 入8 块采集板。最左边的电源板给c p u 板和采集板提供各种工作电源。 采集机组匣示意图如下： 电 a p u 采 采采采采采采采 源扳 集集集 集 集 集集集 板 板 板 板板板板板 d l d 2d 30 41 3 5d 6i ) 7i ) 8 图1 - 2 采集机组匣示意图 f i g u r e1 - 2 t h es k e t c ho f t h ed a t a c o l l e c t e dd e v i c e 采集机结构图如下： 班。j 敏t 藿蠖糖轧托【融输凡 图1 _ 3 采集机结构图 f i g u r e1 - 3t h ea r c h i t e c 恤ed i a g r a mo fl h cd a t ac o l l e c l e dd e v i c e c p u 板将采集的状态数据暂存在缓冲单元( c p u 板上的存储器) 内，通过c a n 总线完成与站机的数据交换。 1 7c a n 总线简介 c a n ( c o n t r o l i e ra r e an e t w o r k ) 即控制器局域网，它属于现场总线的范畴， 5 是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络同 c a n 是由德国b o s c h 公司在1 9 8 6 年为汽车的监测和控制而设计的，逐步发展 到用于其它工业领域的控制，在铁路，航天，电力等行业都有广泛的应用。c a n 已成为国际标准化组织i s o1 1 8 9 8 标准。其基本设计规范要求有高的位速率，高抗 电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误，当信号传输距离达到1 0 k m 时c a n 仍可提供高达5 0 k b i 垤的数据传输速率 c a n 总线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讯数据块 进行编码，采用这种方法的优点是可使网络内的节点个数在理论上不受限制。这 种按数据块编码的方式还可使不同的节点同时收到相同的数据，这一点在分布式 控制系统中非常有用。 在c a n 总线通信接口中集成了c a n 协议的物理层和数据链路层功能 4 1 。可 完成对数据的成帧处理c a n 总线的数据段长度最长为8 个字节，可满足通常工 业领域中控制命令、工作状态以及测试数据的要求，同时8 个字节不会占用总线 时间过长，从而保证了通讯的实时性c a n 总线所采用的强大的纠错功能保证了 通讯的可靠性。c a n 总线的卓越特性以及极高的可靠性、和独特的设计特别适合 工业过程监控设备的互连，因此越来越受到工业界的重视并成为公认的最有前途 的现场总线之一。 1 7 1q 蝌总线的特性 通信速率为5 k b p s 1 0 k i n 1 m b p s 4 0 m ，节点数最多1 1 0 个，传输介质为双 绞线或光纤等； 采用点对点、一点对多点及全局广播等几种方式发送接收数据； 可实现全分布式多机系统，且无主、从机之分，每个节点均主动发送报文， 用此特点可方便地构成多机备份系统； 采用非破坏性总线优先级仲裁技术，当两个节点同时向网络发送信号时， 优先级低的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可不受影响地继续 发送信息，按节点类型分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求； 支持三类报文帧：数据帧、远程帧、超载帧。采用短帧结构，每帧有效字 节数为8 个。这样传输时问短，受干扰的概率低，且具有较好的检错效果： 采用循环冗余校验c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ) 及其它检错措施，保证 了极低的信息出错率； 节点具有自动关闭功能。当节点错误严重时则自动切断与总线的联系， 这样不影响总线正常工作； 6 带c a n 控制器的芯片：p h i l i p s 公司生产l p c 2 2 0 0 系列等： c a n 控制器：p h i l i p s 公司生产的8 2 c 2 0 0 ，s j a l 0 0 0 等； c a n 收发器：广州周立功公司生产的c t m l 0 5 0 t 等。 1 7 2c a n 总线的逻辑电平 c a n 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。两根传输线中，一根为裹电平传输线c a nh ， 其对地电压为v c n，另一根为低电平传输线l ，其对地电压为v c n ，_ hc a n l 它们之间的差值被称为差分电压v d i f f ，即v d 碾= v c a nh v c a nl 。当0 9 v v d i f r 5 0 v 时，当前传送的数据位被称为“显性( d o m i n a t e ) ”位，它代表逻辑 数字“0 ”；当一1 0 v v d i f r + 嘲喉标志码( 1 b ) + 报警模拟量a d 值。 咽喉标志编码： 表2 1 5 咽喉标志编码表 t a b l e2 - 1 5t h r o a tt i g r i sc o d i n gt a b l e 类型 编码 咽喉i ( 下行) o 咽喉2 ( 上行) l 咽喉3 2 咽喉43 4 2 7 1 6 道岔表示不一致报警一数据包( 4 2 均 自主数据包：道岔表示不一致报警( 道岔表示不一致时) 0 0 h + 4 2 h + 报警状态( 1 b 卜报警类型( 1 b ) + 道岔序号( 2 b ) 报警类型：0 表示道岔在定位，表示在反位；l 表示道岔在反位， 表示在定位 韭塞銮通厶堂殛堂位i 金窑堑扭= 墨塞狃疆迅援这 2 7 1 7取轨道电压模拟量数据包( 5 0 h ) 命令包：取全部轨道电压模拟量 0 1 h + 5 0 h 应答数据包：回送全部轨道电压模拟量 0 0 h + 5 0 h + 总记录数( 2 b ) + 数据r e c o r dl ， 数据r e c o r d = 模拟量a d 值( a d 值最高位表示轨道开关量状态) 轨道调整分路编码： 表2 - 1 6 轨道调整分路编码表 t a b l e2 - 1 6o r b i to n o f f o g l i n gt a b l e 类型编码 分路 o 调整 l 2 7 1 8取道岔动作电流一数据包( 6 0 h ) 命令包：取道岔动作电流 曲线数据0 1 h + 6 0 h + 时间码( 4 b ) 应答数据包：回送道岔动作电流曲线数据 0 0 h + 6 0 h + 序号( 2 b ) + 测试点数( 2 b 卜转换方向( 1 b ) + 时间码( 4 b ) + 数据r e c o r di 数据r e c o r d ：= 模拟量a d 值( 1 b ) ( 采集机最多每次发送l 条曲线，若测试点数为0 ，表示没有曲线) 道彷转换方向编码： 表2 1 7 道岔转换方向编码表 t a b l e 2 - 1 7t u r n o u tc o n v e r s i o nd i r e c t i o ne o d i n gt a b l e 类型编码 定位到反位 o 反位到定位 i 定位到定位 2 反位到反位 3 定位到故障位 4 反位到故障位 5 峦窑堕厶堂缝士翌焦途塞站扭= 苤象扭垣迅垃这 2 7 1 9 轨道电压单路测试数据包( 7 0 h ，7 0 h ) 命令包：轨道电压单路测试命令 0 1 h + 7 0 h + 序号( 2 b ) 应答数据包：单路轨道电压 o o h + 7 0 h + 序号( 2 b ) 4 - 单路轨道电压a d 值( 2 b ) 2 7 2 0 移频接收发送电压单路测试一数据包( 7 1 h ，7 1 h ) 命令包：移频接收发送电压单路测试命令 0 1 h + 7 1 h + 序号( 2 b ) 应答数据包：单路移频接收发送电压 0 0 h + 7 l h + 序号( 2 b ) + 单路移频接收发送电压a d 值( 2 b ) 2 7 2 l 电码化电压电流单路测试- 数据包( 7 2 h ，7 2 h ) 命令包：电码化电压电流单路测试命令 0 1 h + 7 2 h + 序号( 2 8 应答数据包：单路电码化电压电流 0 0 h + 7 2 h + 序号( 2 b ) + 单路电码化电压电流a d 值( 2 b ) 韭宝交道厶堂亟堂建途塞丕蕴理i 生超生 3 1系统体系结构 3 系统硬件设计 根据规划的设计目标，可以把这个监测系统的主要功能分为两大模块，即数 据采集功能和数据传输功能。 针对微机监测系统的功能要求，在系统设计时要完成数据采集、c a n 通信、 串口通信等功能的模块设计。硬件系统设计结构框图如下图所示： 图3 - 1 硬件系统设计结构框图 f i g u r e3 - 1t h es t r u c t u r eo f h a r d w a r e 在构建基于c a n 总线的监测系统过程中，除了以上这些系统功能需求的基本 设计条件外，系统本身的实时性、可靠性和抗干扰性是需要在设计中加以考虑的 阀题，可以采纳的方案有很多，比如提高抗干扰能力的光电隔离措施，提高系统 可靠性的物理介质冗余设计等等。具体实施要综合性价比以达到优化设计的目的。 3 2c p u c p u 选用飞利浦公司l p c 2 2 9 2 切，它是基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i - s 的c p u ，并带有2 5 6 k 字节嵌入的高速f l a s h 存储器。1 2 8 位宽 度的存储器接口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运行。对代 3 1 码规模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代码规模降低超过3 0 ，而 性能的损失却很小。 l p c 2 2 9 2 是1 4 4 脚封装，有极低的功耗、多个3 2 位定时器，8 路l o 位a d c 、 2 路c a n 、p w m 通道以及多达9 个外部中断。它特别适用于工业控制应用和容错 维护总线。 l p c 2 2 9 2 包含一个支持仿真的a r m 7 t d m i s 1 1 8 lc p u 、与片内存储器控制器接 口的a r m 7 局部总线、与中断控制器接口的a m b a 高性能总线( a h b ) 和连接片 内外设功能的v l s i 夕b 设总线( v p b ，a r ma m b a 总线的兼容超集) 。l p c 2 2 9 2 将 a r m 7 t d m i s 配置为小端( 1 i t t l e e n d i a n ) 字节顺序。 a h b # b 设分配了2 m 字节的地址范围，它位于4 ( 3 字节a r m 存储器空间的最顶 端。每个a h b 外设都分配了1 6 k 字节的地址空间。l p c 2 2 9 2 的外设功能( 中断控制 器除外) 都连接n v p b 总线。a h b 到v p b 的桥将v p b 总线与a h b 总线相连。v p b 外设也分配了2 m 字节的地址范围，从3 5 g b 地址点开始。每个v p b g b 设在v p b 地址 空间内都分配了1 6 k 字节地址空间。片内外设与器件管脚的连接由管脚连接模块控 制。该模块必须由软件进行控制以符合外设功能与管脚在特定应用中的需求。 图3 - 2l p c 2 2 9 2 结构框图 f i g n n 3 - 2t h ea t n l e l l a o f l p c 2 2 9 2 丝塞銮适厶堂亟堂僮j 金塞丕统鲤仕遨让 3 2 。1a r m 7 t d m i s 处理器 a r m 7 t d m i s 是通用的3 2 位微处理器【1 6 j ，它具有高性能和低功耗的特性。 a r m 结构是基于精简指令集计算机( r i s c ) 原理而设计的。指令集和相关的译码机 制比复杂指令集计算机要简单得多。这样使用一个小的、廉价的处理器核就可实 现很高的指令吞吐量和实时的中断响应。 由于使用了流水线技术，处理和存储系统的所有部分都可连续工作。通常在 执行一条指令的同时对下一条指令进行译码，并将第三条指令从存储器中取出。 a r m 7 t d m i - s 处理器使用了一个被称为t h u m b 的独特结构化策略，它非常适 用于那些对存储器有限制或者需要较高代码密度的大批量产品的应用。 在t h u m b 后面一个关键的概念是“超精简指令集”。基本上，a r m 7 t d m i s 处理器具有两个指令集： 标准3 2 位a r m 指令集 1 6 位t h u m b 指令集 t h u m b 指令集的1 6 位指令长度使其可以达到标准a r m 代码两倍的密度，却仍 然保持a r m 的大多数性能上的优势，这些优势是使用1 6 位寄存器的1 6 位处理器所 不具备的。因为t h u m b 代码和a r m 代码一样，在相同的3 2 位寄存器上进行操作。 t h u m b 代码仅为a r m 代码规模的6 5 ，但其性能却相当于连接至t j l 6 位存储器 系统的相同a r m 处理器性能的1 6 0 0 , 4 。 3 2 2片内f l a s h 程序存储器 l p c 2 2 9 2 集成了2 5 6 k 的f l a s h 存储器系统。该存储器可用作代码和数据的存 储。对f l a s h 存储器的编程可通过几种方法来实现：通过内置的串行j t a g 接口， 通过串口进行在系统编程( i s p ) 和u 删，或通过在应用编程( m p ) 。使用在 应用编程的应用程序也可以在应用程序运行时对f u m 进行擦除和或编程，这样就 为数据存储和现场固件的升级都带来了极大的灵活性。 3 2 。3片内静态r a m l p c 2 2 9 2 具有6 4 k 字节静态r a m 切，s 瓦a m 可用作代码和数据的存储。s r a m 支持8 位、1 6 位和3 2 位访问。 s r a m 控制器包含一个回写缓冲区，它用于防止c p u 在连续的写操作时停止 运行。回写缓冲区总是保存着软件发送到s r a m 的最后一个字节。该数据只有在 软件请求下一次写操作时才写入s r a m ( 数据只有在软件执行另外一次写操作时 被写入s r a m ) 。如果发生芯片复位，实际的s r a m 内容将不会反映最近一次的 写请求( 即：在一次“热”芯片复位后，s r a m 不会反映最后一次写入的内容) 。 任何在复位后检查s r a m 内容的程序都必须注意这一点。通过对一个单元执行两 次相同的写操作可保证复位后数据的写入。或者也可通过在进入空闲或掉电模式 前执行虚写( d u m m yw r i t e ) 操作来保证最后的数据在复位后被真正写入到s r a m 。 3 2 4c a n 控制器和验收滤波器 l p c 2 2 9 2 包含2 个c a n 控制器i 嵋】。有如下特性： 单个总线上的数据传输速率高达i m b s ； 3 2 位寄存器和r a m 访问； 兼容c a n 2 0 b ，i s o1 1 8 9 8 1 规范； 全局验收滤波器可以识别所有的1 l 位和2 9 位r x 标识符： 验收滤波器为选择的标准标识符提供了f u l l c a n - s t y l e 自动接收。 3 3c a n 收发器 c a n 收发器选用周立功公司的t j a l 0 5 0 高速c a n 收发器。 t j a l 0 5 0 是c a n 协议控制器和物理总线之间的接口。它主要应用的波特率范 围是从6 0 k b a u d 到1 m b a u d 。t j a l 0 5 0 可以为总线提供差动的发送功能，为c a n 控制器提供差动的接收功能，而且完全符合“i s o1 1 8 9 8 ”标准。t j a l 0 5 0 是 p c a 8 2 c 2 5 0 高速c a n 收发器的后继产品。 t j a l 0 5 0 收发器的主要性能特点如下1 1 2 】： 完全符合i s o l l 8 9 8 标准 速度高最高可达1 m 波特 低电磁辐射( e m e ) 具带有宽输入范围的差动接收器可抗电磁干扰( e m i ) 没有上电的节点不会对总线造成干扰 发送数据( d ) 控制超时功能 发送禁能时的静音模式 在暂态时自动对总线引脚进行保护 输入级与3 3 v 装置兼容 韭塞銮适厶堂亟主堂焦j 盒窑丕统鲤! l ：毽让 热保护 对电源和地的防短路功能 它和c p u 的连接结构图和原理图如下： 其它c a n 设备 图3 - 3 c a n 收发器与c p u 连接结构图 f i g u r e3 - 3t h ec o n n e c t i n gc h a r to f c a n 廿a n s o e i v a a n dc p u 啪 t 0 1 36删 r 余八裔一 1 ) ic n h 7c a n l ll ，、2 p 5 v i i | 2 g n dc a n l j 6 。 r l v c cc n g r d 24 r x d t d 23 6 啪r 附 1 ) c a n h i i | 2 g n dc a n l 7c a n l 21 ，、2 州。i i 7 j 7 f 1 山v c cc n g 图3 - 4c a n 收发器硬件设计电路原理图 f i g u r e3 - 4t h ei n t e r f a c eo f c a n 缸羽l 戳七妇 3 5 j b 夏至逗厶堂亟堂僮诠塞丕丝壁仕退让 3 4 看门狗 系统受到干扰而失控，引起程序乱飞，也可能使程序陷入“死循环”。通常采 用程序监控技术，又称“看门狗”技术( w a t c h d o g ) 【2 2 1 ，使程序脱离“死循环”。 应用程序往往采用循环运行方式，每一次循环的对间基本固定。“看门狗”技 术就是不断监视程序循环运行时间，若发现时间超过已知的循环设定时间，则认 为系统陷入“死循环”然后强迫程序返回到0 0 0 0 h 入口，在0 0 0 0 h 处安排一段出 错处理程序，使系统运行纳入正轨。 本系统采用的是芯片m a x 7 0 6 t 作为看门狗，再加上l p c 2 2 9 2 内部自带看门 狗，同时工作，形成两级看门狗，以增强系统可靠性。当系统发生故障而超过设 置时间时，看门狗将通过r e s e t 信号向c p u 作出反应。 要使“看门狗”起到监控作用而不产生非正常失效，则要综合考虑系统要求 和程序的特点进行“看门狗”复位方案设计。以下事项是在设计复位监控程序时 必须注意的： 1 一般不在中断服务子程序中使用喂狗指令。即使使用，也要进行条件判断。 因为有时程序跑飞时，中断程序仍然可以正常执行。 2 防止执行不必要的喂狗指令。 3 “看门狗”的超时周期t 应该根据循环程序的耗时来选择。t 太短，会造 成误动作，太长则影响系统死机等待时间。 些赛套亟塞堂亟堂僮论塞墨塞扭达妇：递让 4 1采集机总体结构 4 采集机软件设计 采集机种类较多，采集的信息不相同，采集方式也不相同，而且c a n 发送接 收的数据包格式也有不同的定义，但硬件结构和底层软件都是一样的。它们的总 体结构是一致的，大致如下图所示。 图4 - l 采集机软件结构流程 f i g u r e4 - 1t h es o f t w a r ea r c h i t e c t u r ep t o o e s so f t h ed a t ac o l l e c t e dd e v i c e a e 塞銮望厶堂亟堂位途塞墨塞扭塑仕这盐 每种采集机都可以共用一部分程序，如：初始化、总线采集、c a n 发送接收 程序等。本节将重点放在c a n 通信上。 4 2c a n 通信设置 l p c 2 2 9 2 包含2 个c a n 控制器。本系统只用到其中个，即c a n i 。 它具有以下特性【1 2 1 ： 单个总线上的数据传输速率高达i m b s 3 2 位寄存器和r a m 访问 兼容a 蝌2 0 b ，i s o1 1 8 9 8 1 规范 验收滤波器为选择的标准标识符提供了f u l l c a n s t y l e 自动接收 4 2 1c a n 模块地址映射 表4 - 1c a n 模块地址映射表”7 1 t a b l e4 - 1m e m o r ym a po f t h ec a nb l o c k 地址范围用途 e 0 0 38 0 0 0 一$ 7 f f a c c e p t a n c ef i l t e rr a m ，接收过滤用r a m ( a tr a m ) 。 e 0 0 3 c 0 0 0 一c 0 1 c a c c e p t a n c ef i l t e rr e g i s t e r s ，接收过滤寄存器。 e 0 0 4 0 0 0 0 0 0 0 bc a n 中央控制寄存器。 e 0 0 4 4 0 0 0 4 0 5 fc a n 控制器1 寄存器。 e 0 0 48 0 0 0 - 8 0 5 f c a n 控制器2 寄存器。 4 2 2c a n 验收滤波器和中央c a n 寄存器 表4 2c a n 验收滤波器和中央c a n 寄存器表【川 t a b l e4 - 2c a na c c e p t a n c ef i l t e ra n dc e n t r a lc a n r e g i s t e r s 名称描述 访问复位值地址 a f m r 验收滤波器寄存器删 lo 】【e 0 0 3 c 0 0 0 s f f 豫 标准帧单个起始地址寄存器脚oo x 咖3c 0 0 4 s f fg r p 鼹 标准帧组起始地址寄存器嗍 o仍【e 0 0 3 0 8 e f f 蛆 扩展帧起始地址寄存器 w o0 x e 0 0 3c 0 0 c j e 塞銮通叁堂亟璺鱼j 金塞丞塞扭熟仕超让 表4 - 2c a n 验收滤波器和中央c a n 寄存器表( 续) 【1 1 t a b l e4 - 2c a na c c e p t a n c ef i l t e ra n dc e n t r a lc a nr e g i s t e r s ( c o n t i n u e d ) 名称描述访问复位值 地址 e f fg r p 扩展帧组起始地址寄存器 i v wo0 x e 0 0 3c 0 1 0 e n d o t t a b l ea f 表格终止寄存器 l v wo0 x 咖3c 0 1 4 l u t e r r a du j t 错误地址寄存器 r oo0 x 脚3c 0 1 8 i u 协u 丌错误寄存器 r oo0 x e 0 0 3c o l c 像0 0 3 f 3 c a n t k s r c a n 集中发送状态寄存器 r o0 】【e 0 0 40 0 0 0 f ( 1 0 c a n r x s rc a n 集中接受状态寄存器r oo0 x e 0 0 40 0 0 4 c a n m s rc a n 集中其他状态寄存器r o 00 x e 0 0 40 0 0 8 4 2 3c a n 控制器寄存器映射 表4 3c a n 控制嚣寄存器映射表切 t a b l e4 - 3c a nc o n t r o l l e rr e g i s t e rm a p 名称描述访问c a n i 地址名称 c a n h o d控制c a n 控制器的工作模式删 0 x e 0 0 44 0 0 0c 1 m o d c a n c m r影响c a n 控制器状态的命令位w o0 【e 0 0 44 0 0 4c l c m r c a n g s r全局控制器状态和错误计数器 r 0 a o x e 伽1 44 0 0 8c 1 g s r c a n l c r 中断状态，仲裁丢失捕获，错误码捕获 r o西【e 44 0 0 cc l i c 裴 c a n i e r 中断使能 i v w0 x e 0 0 4 4 0 1 0c l m r c a n b t r 总线时序r 胁 0 x e 0 0 4 4 0 1 4c l b t r c a n e w l出错警告界限r 忍，bo i 【】雪d o l 44 0 1 8c l e w l c a n s r 状态寄存器 r o 0 x e 0 0 44 0 1 cc i s r c a n r f s接收帧状态 r 懈r b伪【e 0 0 44 0 2 0c l m 强 c a n d 接收到的标识符 r 愿，b0 x e 0 0 4 4 0 2 4c l r ) c 舶岫a接收到的数据字节1 4 r 啊r b0 x e 0 0 44 0 2 8c l r d a c a n r d b接收到的数据字节5 - 8融哺，b0 x e 0 0 44 0 2 cc l r d b c a n t f i l 发送帧信息( 1 )蒯 仍【e 0 0 44 0 3 0c l t h l c a n 即d l发送标识符( 1 ) 0 x e 0 0 44 0 3 4c 1 t n ) l 表4 - 3c a n 控制器寄存器映射表( 续) 【1 7 l t a b l e4 - 3c a nc o n t r o l l e rr e g i s t e rm a p ( c o n t i n u e d ) 名称描述访问c a n ! 地址名称 c n 1 d a l发送数据字节l - 4 ( 1 ) 0 x e 0 ( ) 44 0 3 sc l t d a l c a n t d b l发送数据字节5 8 ( i )脚o x e 0 0 44 0 3 cc l t d b l c a n r f l 2 发送帧信息( 2 ) 脚 0 x e 0 0 44 0 4 0c l t 兀2 c a n t 口d 2 发送标识符( 2 ) j v 0 x e 0 0 44 0 4 4c 1 t i d 2 c a n t d a 2 发送数据字节l 叫2 ) 删0 x e 0 0 44 0 4 8c 1 t d a 2 c a n t d b 2 发送数据字节5 8 ( 2 ) 洲 0 x e 0 0 44 0 4 ( 2c 1 t d b 2 c a n t f b 发送帧信息( 3 ) r v0 x e 0 0 44 0 5 0c l 刚3 c a n t i d 3 发送标识符( 3 ) 洲0 x e 0 0 44 0 5 4c l t i d 3 c a n t d a 3发送数据字节1 - 4 ( 3 ) r w0 x e 0 0 44 0 5 8c l t d a 3 c a n t d b 3发送数据字节5 s ( 3 )l v w0 x e 0 0 44 0 5 cc l t d b 3 4 2 4c a n 控制器操作 错误处理 c a n 控制器根据c a n 2 0 b 规范来对发送和接收错误进行计数、处理。每当检 测到一个错误，发送或接收错误计数器将加1 ；当错误被释放后，发送和接收错误 计数器减1 。如果发送错误计数器的值为2 5 5 时出现一个错误，c a n 控制器强制 进