（交通信息工程及控制专业论文）基于VXI的双通道CAN总线虚拟仪器系统的设计.pdf

酉亩童道盍鲎亟堑窒圭堂焦途奎 釜! 亟 摘要 虚拟仪器技术是仪器发展史上的一个里程碑。v x i ( v m eb u s e x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 总线测试平台作为优秀的虚拟仪 器开发平台，在自动测试系统中得到了广泛的应用和飞速的发展， 在组建大、中规模自动测试系统以及对速度、精度要求高的场合， 具有其他仪器无法比拟的优势。 作为主流的现场总线，工业控制局域网c a n ( c o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ) 总线抗干扰能力强、易于组网，具有非常广阔的应用前景。 具有即插即用特性的v x i 总线与c a n 总线的结合，进一步拓宽了c a n 总线的应用环境。 本文首先简要介绍了虚拟仪器、v x i 总线技术和c a n 总线技术各 自的发展及特点，然后合理选用f p g a 器件e p f 6 0 1 6 和独立c a n 控制 芯片s j a l 0 0 0 ，完成了v x i c a n 总线模块的硬件设计，介绍了在虚拟 仪器软件开发平台l a b w i n d o w s c v i 环境下v x i c a n 模块驱动程序和 应用程序的编写，并详细介绍了c a n 总线波特率自动检测的软件实 现。最后给出了实际的调试环境和调试过程，并对系统运行情况进 行了总结。 该系统能实现v x i 总线与c a n 总线之间相互的数据转化和传输 过程，并且给出计算机用户操作界面，能完成多种传输方式的节点 间通讯。 目前，v x i 技术与现场总线技术的结合应用与开发仍在起步阶 段。但c a n 总线易于组建智能设备网络、传输速率高、抗干扰能力 强的特点，以及v x i 虚拟仪器设备即插即用等特点，使得这一研究 具有广阔的应用前景。 关键词v x i 总线；c a n 总线；f p g a ：即插即用 西直窑通盍堂亟瑟宜生堂焦迨塞 整! ! 豆 a b s tr a c t t h et e c h n o l o g yo fv i r t u a li n s t r u m e n ti sam i l e s t o n eo fi n s t r u m e n t d e v e l o p m e n t a st h ee x c e l l e n tr e p r e s e n t a t i o no fv i r t u r a li n s t r m e n t ，t h e v x ib u si sq u i c k l yg r o w i n ga n di t sa p p l i c a t i o nw i d e l yr a n g e sf r o mt e s t a n dm e a s u r e m e n tt oi n d u s t r i a la u t o m a t i o n i th a sp r e d o m i n a c e si n b u i l d i n gl a r g ea n dm e d i u ms c a l ea u t o m a t i o nt e s ts y s t e ma n di nt h e o c c a s i o nw h i c hn e e d sh i g ha c c u r a c ya n dh i g hs p e e do fd a t at r a n s f b r b e i n gam a i nt y p eo ff i e l d b u s ，c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) h a s t h e a d v a n t a g e s o fe a s i n e s so f b u i l d i n g n e t w o r k sa n d s t r o n g a n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t y ，t h u si th a saw i d ea p p l i c a t i o no u t l o o k t h e c o m b i n a t i o no fc a nb u sa n dv x ib u sw h i c hs u p p o r t s p i u g & p l a y f u n c t i o nw i l lw i d e nt h ea p p l i c a t i o no c c a s i o no fc a nf l l r t h e r a tc h eb e g i n n i n go ft h i st h e s i s ，t h ep r o c e s so ft h ed e v e l o p m e n ta n d c h a r a c t er i s t i c so fv i r t u r a l i n s t r u m e n t ，v x ib u sa n dc a nb u st e c h n o l o g y a r eb r i e f l yi n t r o d u c e dr e s p e c t i v e l y a c c o r d i n gt ot h e i rc h a r a c t e r i s t i c s a dp r a c t i c a ld e m a n d s ，f p g ae p f 6 016a n ds t a n d a l o n ec a nc o n t r o l l e r s j a l o o oa r ec h o s e nt od e s i g nt h ev x i - c a nm o d u l e t h e nt h i st h e s i s i n t r o d u c e st h e p r o g r a m m i n g o fv x i c a nm o d u l ed r i v e ra n d a p p i i c a t i o np r o g r a mw i t ht h el a b w i n d o w s c v lw h i c hi st h ev i r t u a l i n s t r u m e n ts o f t w a r ed e v e i o p m e n te n v i r o n m e n t ，a n dd e t a i l st h es o f t w a r e i m p l e m e n t a t i o no fc a nb u sb i tr a t ea u t o m a t i cd e t e c t i n g i nt h ee n d ，t h i s t h e s i sp r e s e n t st h ed e b u g g i n ge n v i r o n m e n ta n dd e b u g g i n gp r o c e s s ，a n d g i v e st h ec o n c i u s i o no ft h eo p e r a t i o ns t a t u so ft h es y s t e m t h es y s t e mc a nf u l f i l lt h e p r o c e s so fd a t at r a n s f o r m i n ga n d t r a n s f e “i n gb e t w e e nv x ia n dc a n i tr e a l i z e st h ed a t ac o m m u n i c a t i o n w i t hjo i n t si nav a r i e t yo fw a y su s i n gt h eg i v e nu s e ri n t e r f a c e ， c u r r e n t l y ，t h ec o m b i n a t i o no fv x ia n dc a nh a s n tb e e nw i d e l y s t u d i e da n du s e d n e v e r t h e l e s s ，t h ea d v a n t a g e so fv x ia n dc a nb r i n ga b r o a dp r o s p e c tf o rt h i sf i e l d ， k e y w o r d s ： v x ib u s ；c a nb u s ；f p g a ，p l u g & p l a y 直亩窒通友堂亟班宜生芏焦迨奎鏊】豆 第1 章绪论 1 9 8 7 年6 月，h p 、t e k r o n i x 等五家国际著名的仪器公司发布了v x i 规 范的第一个版本，几经修改和完善，于1 9 9 2 年被i e e e 接纳为 i e e e 一1 1 5 5 1 9 9 2 标准。v x i 规范是一个开放的体系结构标准，其主要目标 是使v x i 器件之间、v x i 器件与其它标准的器件之间能够以明确的方式开 放地通信；使系统体积更小；通过使用高带宽的仪器间通信通道和专用的 协议来为测试系统提供更高的吞吐量，提供高性能的测试设备。v x i 总线 产品在组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合，具 有其他仪器无法比拟的优势。v x i 总线自动测试系统已被广泛用于国防、 航空航天、气象、工业产品测试等领域。在2 0 0 0 年，美国有近一半仪器 采用了v x i 总线。目前，许多政府机构和军事机构正在把v x i 看作测试标 准。 与此同时，随着计算机和自动测量技术的发展，测量仪器和计算机的 关系日益密切，美商国家仪器公司( n i ) 于1 9 8 6 年提出了虚拟仪器( v i t u a l i n s t r u e n t a t i o n ，v i ) 的概念。虚拟仪器可以充分利用现有计算机资源， 配以独特设计的软硬件，实现普通仪器的全部功能以及一些在普通仪器上 无法实现的功能。用户可以根据不同要求，设计自己的仪器系统，满足多 样的应用需求。虚拟仪器不但功能多样、测量准确，而且界面友好、操作 简易，与其它设备集成方便灵活。虚拟仪器技术的出现彻底打破了传统仪 器由厂家定义、用户无法改变的模式，给用户一个充分发挥自己才能和想 象力的空间。有趋势表明，虚拟仪器最终要取代大量的传统仪器成为仪器 领域的主流产品，成为测量、分析、控制、自动化仪表的核心。n i 公司 针对v x i 硬件，推出了l a b w i n d o w s c v i 直观的流程图编程风格的软件开 发和运行平台，大大简化了系统开发过程，进一步推动了v x i 在军用测控 系统中的应用和虚拟仪器的发展。 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线技术距今已有近2 0 年的历史， 在此期间，c a n 协议不断改进，技术日趋成熟，其传输距离远，传输速率 高，抗干扰能力强，易于组网，而且节约成本，在国内外控制领域获得了 普遍重视，是国际上应用最广泛的现场总线之。起初，c a n 总线被设计 作为汽车环境中的微控制器通讯总线，在车载各电子控制装置e c u 之间交 酉亩窑湮盔茎亟堑窒圭拦僮途塞筮2 夏 换信息，形成汽车电子控制网络。比如：发动机管理系统、变速箱控制器、 仪表装备。作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网 络通讯方式，c a n 总线已被应用到各个自动化控制系统中。如：智能大厦、 电力系统、安防监控等各领域。如今，c a n 总线在全球的应用正处于一个 高速的发展阶段。随着更完善的c a n 2 o b 协议的提出，国外已有专家预言， c a n 总线的应用寿命至少还有二十年。 随着测控系统的网络化要求日趋明显，特别是在军用测控系统中，往 往有很多参数需要监测，使用总线通讯是最理想的测控方式。v x i 总线是 军用测控系统中测控机箱内部主要的总线，c a n 总线具有传输速率高、抗 干扰能力强等一系列优点，是军用测控系统中外部网络的理想选择。因此， v x i 总线和c a n 总线结合，是基于v x i 总线的测控系统理想的测控系统网 络化方向之一。 本设计为c a n 总线模块，通过与成都纵横测控技术有限公司开发的 j v 5 3 0 1 0v x i 总线载板模块上的连接器相连接，按照连接器的接口定义和 控制时序，使用n i 公司l a b w i n d o w s c v i 开发平台，实现p c 、v x i 总线、 c a n 总线三者组成的虚拟仪器测控系统。 v x i 总线以其优越的测试速度、可靠性、抗干扰能力和人机交互性能， 成为最好的虚拟仪器开发平台。c a n 总线以其灵活性、可靠性、传输速度 快、组网成本低的优点，成为智能设备间通信的主要总线之一。同时，两 者又在不姨被改进，6 4 位的v x i 总线速率已达至48 0 m b p s ，时间触发通讯的 c a n 协议( t t c a n ) 已经制定，并计划在将来标准化。两者的结合在虚拟 仪器测控技术领域将会有更大的应用价值和广阔的使用前景。 酉亩奎运鑫掌塑硒宜生掌焦迨窑丝亟 第2 章虚拟仪器及v l 总线技术 虚拟仪器是计算机技术和仪器技术深层次结合的产物，v x i 总线技术 是虚拟仪器技术中具有极大影响力的代表，它的出现为虚拟仪器的发展提 供了新的动力，迸一步增强了虚拟仪器的功能。 本章首先简单介绍虚拟仪器，然后介绍v x i 总线系统的硬件组成。 2 1 虚拟仪器简介 虚拟仪器是在一定的硬件环境支持下通过编制和执行不同的虚拟 仪器软件，来构成各种不同的仪器，实现用户定义的功能。虚拟仪器将仪 器功能划分为三个通用模块：输入模块、输出模块和数据处理模块，通常 基于p c 、g p i b 、v 或p 等总线平台来建立系统。 1 虚拟仪器的构成 虚拟仪器由硬件平台和软件两大部分组成。 f 1 ) 通用硬件平台 硬件是虚拟仪器工作的基础，虚拟仪器的硬件是由计算机硬件和仪器 硬件两部分组成的，其中仪器硬件即i o 接口设备分为两种类型。对于 单台虚拟仪器，i ，o 接口设备主要是指数据采集卡；而对于多台虚拟仪器 组成的测量系统，硬件主要是指总线。常见总线类型育：r s 2 3 2 串行总 线接口、g p i b 总线接口、v i s a 总线接口、v x l 总线接口。本设计中连接 j v 5 30 1 0 总线载板模块的c a n 总线模块即为总线类型的仪器硬件。 ( 2 ) 软件 软件是虚拟仪器系统的关键，构造一个虚拟仪器系统时，在基本硬件 确定以后，就可以通过不同的软件实现不同的功能。软件包括仪器驱动程 序和应用程薄。 2 虚拟仪器的特点 虚拟仪器凭借其强大的软件功能和优秀的硬件平台的支撑，具有许多 传统仪器所不具备的特点： 灵活性：有面向总线的接口：功能通常由用户自己定义；方便与 网络、外部设备等连接。 功能强大：基于计算机技术的功能模块可构成多种仪器，可以方 便地组建用户所需的测试系统。 便地组建用户所需的测试系统。 酉直奎遗盔堂亟堑塞塞茎僮迨塞麓垒亟 使用简便：用计算机软件编写的软面板代替传统仪器面板，借助 鼠标、键盘对软面板进行操作，就象操作传统仪器一样。 性价比高：建立在公用的硬件平台上，最大限度地利用了硬件资 源，降低系统成本。 2 2v x i 总线系统的硬件组成 v x i 总线系统或者其子系统由一个v x i 主机箱、若干v x i 器件、一个 v x i 资源管理器和主控制器组成。 图2 1v x i 总线系统物理结构示意图 v x i 主机箱容纳v x i 仪器，并为其提供通信背板、供电和冷却。v x i 主机箱分为a 尺寸( 3 9 英寸卑6 ，3 英寸) 、b 尺寸( 9 2 英寸木6 3 英寸) 、 c 尺寸( 9 2 英寸 1 3 4 英寸) 和d 尺寸( 1 4 4 英寸 1 3 4 英寸) 四种规 格。c 尺寸的v x i 总线系统是目前市场上最常见的，这主要是因为c 尺寸 的v x i 总线系统体积小，成本相对较低，又能发挥v x i 总线作为高性能测 试平台的优势。机箱分5 槽，1 3 槽等多种规格。 v x i 机箱最左边的插槽为零槽，在该槽中插入的v x i 模块称为零槽模 块。零槽模块完成系统背板管理，包括提供时钟源和背板总线仲裁等，当 然它也可以同时具有其它的仪器功能，它是v x i 总线系统的主控制器。在 系统开机时，零槽模块执行如下功能： 1 识别系统中所有的v x i 总线器件； 2 管理系统自测试和诊断序列； 3 配置系统的a 2 4 和a 3 2 地址映象： 酉亩童逼盍堂亟班究生堂僮诠塞箍亟 4 配置系统的命令者从者层次； 5 分配v m e 总线的i r q 总线； 6 启动正常系统操作； v x i 资源管理器( r m ) 是主控制器的应用程序。它负责管理、控制和 分配v i s a 资源，是所有v i s a 函数的工作平台。 v x i 总线系统的配置方案方式分为嵌入式和外接式两类。 嵌入式v x i 控制方式就是把计算机做成v x i b u s 模块，直接安装到 v x i 主机箱中，并通常占据o 槽位置。采用嵌入式控制器的v x i 系统具 有最小可能的体积。嵌入式控制器能够直接访问v x i b u s 背板信号，并直 接读写v x i b u s 器件的寄存器，而不会像外接控制器那样进行总线转换而 引入软件开销，因此具有最高的数据传输性能。 外接式控制方式可以通过m x i 总线，g p i b 总线或者i e e e l 3 9 4 总线及 相应的接口电路实现对v x i 系统控制。外接式v x i 控制方式是一种灵活 而且性能价格比很高的控制方案，锝到了十分广泛的应用。 本系统使用i e e e l 3 9 4 总线控制方案，使用a g i l e n t6 槽c 尺寸主机 箱，零槽控制模块为a g i l e n t1 3 9 4 一v x i 控制器。使用的v x i 模块为纵横 测控技术有限公司开发的j v 5 3 0 1 0v x i 总线载板模块。 酉直童逼盔堂亟瑟宜生堂僮迨塞簋亟 第3 章c a n 总线协议 c a n 控制器局域网是德国b o s c h 公司于2 0 世纪8 0 年代末提出的。最初， c a n 被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置e c u 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。1 9 9 1 年，p h “i p s 制定并发布c a n 技术规范：c a n 2 o a b 。1 9 9 3 年i s o 组织正式颁布c a n 国际标准i s 叭1 8 9 8 。 c a n 总线的主要特性包括： 1 多主方式工作，依据优先权进行总线访问，网络上任意节点均可 主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需 站地址等节点信息。利用这一特点可方便的构成多机备份系统。 2 c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求， 高优先级的数据最多可在1 3 4 肛s 内得到传输。 3 c a n 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息 时，优先级低的节点会主动的退出发送，而最高优先级的节点可不受影响 的继续传输数据，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。 4 c a n 总线只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广 播等几种方式传送接收数据，无需专门的“调度”。 5 c a n 总线的直接通信距离可达l o k m ；通信速率最高可达1 m b p s 。 6 c a n 总线上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 l o 个： 报文标识符几乎不受限制。 7 采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效 果。 8 c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其他检错措施，对于没有被检测到 的错误报文，错误可能性概率低于4 7 l o 。1 。 9 c a n 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 1 0 c a n 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。 目前，c a n 总线以其高性能，高可靠性以及独特的设计，越来越受到 人们的高度熏视，不仅在汽车行业中应用广泛，而且在工业控制、机器人、 医疗器械、智能建筑等领域发展迅速。c a n 总线是唯一成为国际标准的现 场总线，也是国际上应用最广泛的现场总线之一。 酉亩窒道盎堂亟瑟宜圭堂僮迨窒筮z 亟 以下是对c a n 总线的结构和原理的简单介绍。 3 1c a n 的分层结构 c a n 协议采用分层结构，以实现设计的透明性和灵活性，其结构划分 及功能如图3 1 所示。 c a n 协议中结构划分完全遵从o s i 参考模型，分为数据链路层和物理 层。其中数据链路层包括逻辑链路控制层l l c 和媒体访问控制层m a c 。l l c 层功能包括为数据传输和远程请求提供服务、通过接收滤波决定接收哪些 消息、提供恢复管理和超载通知。m a c 子层的功能主要是实现传输规则， 即帧控制、仲裁、错误检测、出错标注和故障标定、判断总线是否空闲、 是否开始接收以及位定时等。物理层完成不同节点间比特流的传输。 图3 1c a n 的分层结构图和功能 3 2c a n 总线协议 c a n 技术规范包括c a n 2 o a 和c a n 2 o b 两个部分。其中，c a n 2 o b 协 议又称为c a n 扩展标准，其兼容标准帧结构( 标志符为1 l 位) 和扩展帧 结构( 标志符为2 9 位) ，可实现更多的节点数目，具有更广阔的发展前景。 酉亩銮湮盔鲎亟堑宝生堂健迨室差g 亟 下面以c a n 2 o b 标准对c a n 协议进行介绍。 3 2 1 报文类型和格式 c a n 总线上的数据采用不归零编码( n r z ) ，总线数值为两种互补逻辑 值之一，即显性和隐性，显性数值表示逻辑“o ”，隐性数值表示逻辑“l ”。 显性位和隐性位同时发送时，总线数值将为显性。 c a n 的数据传输由四种类型的帧表示和控制：数据帧、远程帧、出错 帧、超载帧。另外，相邻数据帧或远程帧间由帧间空间分隔。 数据帧：数据帧将数据从发送器传输到接收器。数据帧由帧起始、仲 裁场、控制场、数据场、c r c 场、应答场、帧结束等七个位场组成，如图 3 2 所示。数据域长度可为o 。 j 帧起始l 仲裁场i 控制场i 数据场c r c 场应答场j 帧结束i 圈3 2 数据帧格式 其中，帧起始标志数据帧或远程帧的开始，由一个显性位构成。只在 总线空闲时才允许开始发送。所有节点必须同步于帧起始的上升沿。 仲裁场出标志符i d 和r t r ( 远程发送请求) 位组成。在c a n 2 o b 协议 中，规定i d 长度为2 9 位，这些位按i d 2 8 到i d o 的顺序发送，最低位为 i d o 。高7 位不能全为隐性。r t r 位在数据帧中必须是显性，而在远程帧 中为隐性。 控制场由6 位组成，包括d l c ( 数据长度码) 和两个保留位。d l c 标 志数据场的字节数，可以是o ，1 ，8 ，最多8 个字节。 数据场由被发送的数据组成，长度为0 到8 字节，每字节8 位，高位 先发送。 c r c 场包括c r c 序列和c r c 界定符。采用c r c 校验形式是因为c r c 码 对1 2 7 位以内的帧校验结果最佳。c r c 界定符由一个隐性位构成。 应答场包括应答间隙和应答界定符两位。发送站发送两个隐性位，正 确接收到有效消息的接收站在应答间隙期间通过发送一个显性位将此信 息报告给发送站。应答界定符必须是隐性位，因此应答间歇被两个隐性位 包围。 每个数据帧或远程帧的帧结束均由7 个隐性位组成。 远程帧：用于要求源节点发送数据。由帧起始、仲裁场、控制场、c r c 场、应答场、帧结束六部分组成。其r t r 位为隐性，没有数据场。远程帧 格式如图3 3 所示。 图3 3 远程帧格式 出错帧：标识总线错误，由总线上任何检测到错误的节点发送。由两 个场组成，第一个场是来自各站的错误标记叠加，随后一个场是错误界定 符。错误标志有两种：激活错误标志和认可错误标志。 错误界定符由8 个隐性位组成。每个节点发送错误标志后送出一个隐 性位，同时监测总线状态，直到检测到一个隐性位，这表明所有节点已经 完成了错误标志发送。然后丌始发送剩余的7 个隐性位。 超载帧：提供相邻数据帧或远程帧之间的附加延时，由超载标志和超 载界定符组成。超载标志由6 个显性位构成，超载界定符由8 个隐性位构 成。有两种情况导致超载帧的发送：1 接收器内部情况要求延迟下一数据 帧或远程帧的接收；2 在间歇场检测到显性位。 帧间空间：数据帧和远程帧与任何类型的前一帧( 数据帧、远程帧、 出错帧、超载帧) 的分隔由帧间空间来完成。帧间空间由间歇场和总线空 闲场组成。超载帧和出错帧前面以及多个超载帧之间不存在帧间空间。 3 2 2 编码和发送接收 数据帧和远程帧的起始场、仲载场、控制场、数据场和c r c 序列采用 位填充方式进行编码。若发送器在发送位流中检测到5 位连续的相同电 平，将自动插入一个相反电平。 其它位场( c r c 分隔符、应答场、帧结束) 为固定格式，不做位填充。 出错帧和超载帧也是固定格式，不做位填充。 3 2 3 媒体访问和仲裁 帧发送期间，发送数据帧或远程帧的每个节点均为总线主站，既c a n 总线是多主总线结构。 当有多个节点同时访问总线时，c a n 总线采用载波侦听多路访问冲突 检钡9 ( c a r r i e rs e n s em u l t i d l ea c c e s sw i t hc 0 1 l i s i o nd e t e c t ，c s m a c d ) 方式进行总线访问和仲裁。利用c s m a 访问总线，可对总线上信号进行检 测，只有当总线处于空闲状态时才允许发送。利用这种方法可以允许多个 节点挂接到同网络上。当检测到一个冲突位时，所有节点重新回到监听 总线状态，直到该冲突时间过后才开始发送。在总线超载的情况下，这种 技术可能会造成发送信号经过许多延迟。为了避免发送时延，可利用 c s m a c d 方式访问总线。当总线上有两个节点同时进行发送时，必须通过 酉亩窒通盎堂亟硒巍生堂焦迨塞篁! q 豆 无损的逐位仲裁方法来使有最高优先权的的报文优先发送。在c a n 总线 上发送的每一条报文都具有唯一的一个1 1 位或2 9 位数字的i d 。c a n 总 线状态取决于二进制数0 ( 显性) ，所以i d 号越小，则该报文拥有越高 的优先权。标识符相同的情况下，数据帧比远程帧具有更高优先级，通过 r t r 位数值标注。 3 2 4 错误检测 c a n 的m a c 予层具有下列错误检测功能：监测，用于检查位错误；填充 规则校验，检查填充错误；帧校验，检查形式错误；1 5 位循环冗余码校验， 检查c r c 错误；应答校验，检查应答错误。 依靠m a c 层提供的服务，c a n 具有很强的故障检测和恢复手段，其自检 机制能有效判别暂时性故障和永久性故障。 3 2 5 总线拓扑结构 总线拓扑结构如图3 4 。差分信号两端使用1 2 0 q 电阻抑制信号反射。 1 2 0 图3 4 总线拓扑结构 酉直窑道盍鲎亟堑窒生堂焦主金塞 墓】! 亟 第4 章硬件设计 4 1 系统整体描述 本设计的硬件设计部分，主要是根据纵横测控技术有限公司开发的 j v 5 3 0 l ov x i 总线载板模块向外提供的外部总线控制接口( e x t e r n a lb u s c o n t r o l l e r ，e b c ) ，设计与之相连接的两通道c a n 总线模块。 系统的总体框图如图4 1 所示。 图4 1 系统总体框图 p c 机的机箱内插入p c i 1 3 9 4 卡， v x io 槽模块内有1 3 9 4 一v x i 控制 器，p c 机与v x l0 槽模块通过1 3 9 4 相连。 v x i 机箱内插有j v 5 3 0 1 0v x i 总线载板模块。j v 5 3 0 1 0 是一个可装载 各种输入输出功能的、基于v x i 总线从模块标准的载板模块，可将4 个 不同功能模块集成到一个v x i 模块中。该模块在应用上具有很大的灵活 性，在同一个j v 5 3 0 1 0 上可实现数据采集、过程控制、运动控制、测量与 测试、仪器功能、通讯或者其它专用功能，充分利用v x i 总线6 槽或1 3 槽机箱的槽位资源，为用户提供更好的项目解决方案，使v x i 模块或v x i 测控系统具有更好的性价比。4 个相同或者不同功能的m 功能模块可以通 过插针连接器牢固地安装到j v 5 3 0 1 0 上。这样，4 个m 功能模块只需通过 占用一个单槽实现与v x i 总线的集成。每个m 功能模块都有独立的地址和 数据总线、中断控制、触发控制等。 j v 5 3 0 1 0 的插针连接器定义了一套接口，该接口包括e b c 接口以及中 断信号线，触发发控制线、各种电源线等。c a n 模块占用j v 5 3 0 1 04 个m 酉亩窑渔盔堂亟主丛嚣生堂僮诠塞篮1 2 豆 功能模块通道其中的一个，通过插针连接器安装到j v 5 3 0 1 0 上，由j v 5 3 0 1 0 提供电源。 c a n 模块的控制原理如下： p c 机通过1 3 9 4 一v x i 控制器将控制命令传输给v x io 槽模块，v x io 槽模块将命令解析，找到命令对应的v x i 从模块地址，在此处即为 j v 5 3 0 1 0 ，v x i o 槽模块通过v x i 机箱背板总线，将控制命令传输给j v 5 3 0 1 0 。 接下来，j v 5 3 叭o 将来自v x i 总线上的命令，转换为e b c 接口定义的读写 时序。c a n 模块将来自j v 5 3 0 1 0 的控制命令，转换为c a n 控制器的读写时 序，完成c a n 总线的通信。 4 2c a n 模块整体硬件描述 c a n 模块硬件主要由两个大的部分组成：c a n 模块的接口电路；f p g a 逻辑控制程序。其中f g p a 实现j v 5 3 0 1 0 外部接口时序与c a n 控制器控制 时序的转换、c a n 总线状态灯的控制及存储硬件版本信息。c a n 控制器 s j a l 0 0 0 实现c a n 总线间的数据通信。c a n 模块硬件整体结构框图如图4 2 。 其中涉及的器件的具体介绍见下节。 光电 隔裔 光电 隅离 c a w 毕竺婴 靼动器j j c a n 吐 鼢四如一 ；i 鬯竺 转动器| ：! 些! 1 8 2 c 2 j 图4 2c a n 模块硬件结构框图 彗薹蕊 s一鲁 4 3 器件选择和介绍 4 3 1f l e x 6 0 0 0 系列f p g 介绍 本设计的c a n 模块是连接在j v 5 3 0 l ov x i 总线载板模块上的m 模块， 由p c 控制。因此，c a n 模块不带c p u ，而主要是用f p g a 完成不同接口间 的时序转换。f p g a 是该模块的核心之，它是连接c a n 控制器与j v 5 3 0 1 0 的桥梁。a 1 t e r a 公司f l 既6 0 0 0 系列可编程逻辑器件有如下一些特点： 丰富的寄存器，基于查找表( 1 0 0 k u pt a b l e ，l u t ) 结构； o p t i f l e x 结构增加了设备的有效面积； 可使用的门数从5 0 0 0 到2 4 0 0 0 门； 通过外部配置e p r 跳或智能控制器进行电路的重配置( i c r ) ： 内建的j t a g 和b s t 与i e e es t d 1 1 4 9 卜1 9 9 0 标准的电路兼容， 无需额外的设备逻辑； 多种i o 电平接口工作方式，可作为桥连接采用不同电平的系统。 低功耗( 在空闲模式下不超过0 5 m a ) ； 本设计选用a l t e r a 低端的f l e x 6 0 0 0 系列，e p f 6 0 1 6 t ( 1 4 4 ) 型f p g a 。 选用e p f 6 0 1 6 t ( 1 4 4 ) 型f p g a 有以下几个原因： 1 本设计中，f p g a 完成的功能不多，不需要大规模的f p g a 逻辑单元。 e p f 6 0 1 6 t ( 1 4 4 ) 有1 3 2 0 个逻辑单元，对于本设计已经足够。 2 本设计c a n 模块与j v 5 3 叭ov x i 总线载板模块之间的信号电压是 3 3 v ，而c a n 控制器s j a l o o o 的信号电压是t t l5 v 电平。因此，f p g a 必 须兼容这两种不同的电压环境。e p f 6 0 1 6 t ( 1 4 4 ) 是5 v 内核供电，通过配置 其v c c i n t 和v c c i o 脚，可以同时兼容3 3 v 和5 v 外围电压。 3 e p f 6 0 1 6 t ( 1 4 4 ) 基于s r a m 工艺，可在线升级，其下载编程次数几乎 没有限制，方便设计时的检测和调试。 4 e p f 6 0 1 6 t ( 1 4 4 ) 为1 4 4 脚t q f p 封装，占用面积小。 4 3 2s j a l 0 0 0c a n 控制器 c a n 总线端选用独立的c a n 控制器s j a l 0 0 0 ，其用于移动目标和一般 工业环境中的局域网控制，具有很强的抗干扰能力。c a n 总线的物理层和 数据链路层协议已经集成在芯片中，可通过硬件自动完成数据帧的发送和 接收。 s j a l o o o 兼容c a n 2 o a 和c a n 2 o b 协议，同时支持“位和2 9 位识别 码，位速率可达1 m b i t s s ，具有6 4 字节先进先出f i f o 的接收缓冲器。 表4 0s j a l 0 0 0 管脚定义 符号引脚 说明 a d 7 一a d 02 ，1 2 8 2 3多路地址数据总线 a l e a s3从e 输入信号( i n t e l 模式) ；a s 输入信号( m o t o r o i a 模式) c s4片选输入，低电平允许访问s j a l o ( r d ) e 5 微控制器的r d 信号( i n t e l 模式) 或e 使能信号( m o t o r 0 1 a 模式) w r6 微控制器的w r 信0 ( i n t e l 模式) 或r d w r 信号( m o t o r o l a 模式) c l k o u t7 s j a l 0 0 0 产生的提供给微控制器的时钟输出信号：时钟信号来源于 内部振荡器且通过编程驱动；时钟控制寄存器的时钟关闭位可禁止该 引脚 v s s l8接地 x t a l i9 输入到振荡器；放大电路外部振荡信号由此输入 x t a l 21 0 振荡放大电路输出：使用外部振荡信号时左开路输出 m o d e 1 1模式选择输入：l = i n t e l 模式：0 = m o t o r o l a 模式 v d d 31 2 输出驱动的5 v 电娅源 t x o1 3 从c a n 输出驱动器o 输出到物理线路f ： t x l1 4 从c a n 输出驱动器l 输出到物理线路上 v s s 31 5 输出驱动器接地 i n t1 6 中断输出，用于中断微控制器；i n t 在内部中断寄存器各位都被 置位时低电平有效；i n t 是开漏输出且与系统中的其它1 n t 是线或 的；此引脚上的低电平可以把i c 从睡眠模式中激活 r s t1 7 复位输入，用于复位c 州接口( 低电平有效) ；把r s t 引脚通过 电容连到v s s ，通过电阻连到v d d 可自动上电复位 v d d 21 8 输入比较器的5 v 电压源 r x 0 ，r x l 1 9 ，2 0从物理的c a n 总线输入到s j a l 0 0 0 的输入比较器； v s s 22 1 输入比较器的按地端 v d d l2 2 逻辑电路的5 v 电压源 与s j a l 0 0 0 配套的驱动器选用p c a 8 2 c 2 5 0 ，p c a 8 2 c 2 5 0 具有限定的电 流值以保护接收器输出级，避免阳、阴极的短路，防止发送器输出级的毁 坏。其具有3 种不同的工作模式：高速、备用和斜率控制，提供总线差动 发送能力和接收能力，高速可达1 m b p s ，有较强的抗干扰能力，最多节点 苴亩窑湮盘主亟至珏究生掌焦诠奎苤! z 豆 况下系统才能正常工作。在线配置方式般有两类：是通过下 载电缆由计算机直接对其进行配置，二是通过配置芯片对其进行 配置。 图4 4 中下方有一个双排1 0 针插头。该插头是由计算机直接对f p g a 的s r a m 配置时，下载电缆的接口。通过p c 机对f p g a 进行在系统重 配置，在调试时非常方便。 配置芯片是一个能产生配置时序的r o m ，分为一次编程型和可擦除型 两种。图4 4 中，e p c i 4 4 1 是一次可编程型芯片，在程序最终测试成功 后，写入该芯片中。f p g a 在上电后，会自动从e p c i 4 4 l 中读出配置数据， 存入s r a m 中。 e p f 6 0 1 6 采用被动串行( p s ) 配最方式。m s e l l ，m s e l o 是e p f 6 0 1 6 选择 配置方式的引脚，外围电路中均接地，选为p s 方式。p s 方式配置时的管 脚及控制信号的功能如下： c o n f d o n e ：此信号需经1 k 电阻上拉。配置过程中，l o k 电阻将此 信号拉低，成功配置完毕后，芯片释放端口，由上拉电阻将其电平抬高。 n s t a t u s ： 配置状态的监测信号。此信号需经1 k 电阻上拉。配置过 程中，出现低电平表明配置过程出现错误，需重新配置。 d a t a 0 ：串行配置数据流的输入。 d c l k ：串行配置的时钟输入，用于锁存外部数据。 n c o n f i g ：启动配置的信号。 4 4 2c a n 控制器接口电路 c a n 控制器s j a l 0 0 0 通过总线驱动器p c a 8 2 c 2 5 0 接收c a n 总线上的信 号，传送到f p g a ，并接收f p g a 传来的信号，通过驱动器传送到c a n 总线。 本设计为两通道c a n 总线，以c a n 通道1 为例。c a n 控制器接口电路 如图4 5 所示。 图4 5c a n 控制器接口电路 s j a l 0 0 0 能用片内振荡器或片外时钟源工作。本设计采用外接1 1 m h z 的无源晶振作为片外时钟源，以达到1 m b p s 传输速率的要求。 图4 5 中，s j a l 0 0 0 片选信号n c s 低有效。n c s 外接1 0 k 的上拉电阻， 然后与f p g a 的n c s l 连接。当f p g a 选择1 通道时，片选信号为低。否则， 上拉电阻将1 通道片选信号拉高。 s j a l 0 0 0 中断请求信号n i n t 为开漏输出，因此必须外接1 0 k 的上拉 电阻。为增强抗干扰能力，s j a l 0 0 0 的v s s l 脚与v d d l 脚之间，v s s 2 与 v 叩2 之问，v s s 3 脚与v d d 3 之间分别接上o 1 u f 的瓷片退耦电容。 本设计的c a n 模块是针对干扰很强的测控环境，因此，在s j a l o o o 与 p c a 8 2 c 2 5 0 驱动器之间采用6 n 1 3 7 光电隔离器隔离。由一片d c d c 提供隔 离电源。 为了防止总线上c a l h 和c a n l 的电平反向对驱动器的损害，及防止 总线电平的抖动，在c a n h 、c a n l 与地之间，分别增加了二极管和3 0 p f 的瓷片电容。另外，该模块作为终端节点，为了减少总线上信号的反射， 在c a n h 和c a n l 差分信号之间增加了1 2 0 欧姆的终端电阻。 在s j a l 0 0 0 发送引脚t x 0 上，以及接收引脚r x o 上，分别接有贴片封 装的发光二极管，以指示c a n 控制器的发送与接收状态。 4 4 3 复位电路 c a n 模块的复位电路连接于s j a l 0 0 0 的复位引脚，用于复位 s j a l 0 0 0 。复位电路如图4 6 。 蕊四； 图4 6 复位电路 r s t 一1 与s j a l o o o 复位引脚相连。复位电路通过一片p n p 三极管，实 现了三种硬件复位方式。为了防止在按键时产生火花，在发射极与集电极 之间加入的o 1 u f 电容，吸收电流。 r s t p e r 信号来自j v 5 3 0 1 0v x i 总线载板模块的连接器信号，该复位 信号用于复位与j v 5 3 0 1 0 连接的所有m 模块。 r s t l 信号与f p g a 相连，由f p g a 复位s j a l 0 0 0 。 另外复位电路还包括一个手动复位按键，帮助设计人员调试时，手动 复位s j a l o o o 。 4 4 4c 删模块总线接口 c a n 模块使用d b 9 针型连接器作为两通道c a n 总线的连接器。c a n 总 线连接器引脚定义如图4 7 。 j 2 d b 一9 r a m 图4 7c a n 总线连接器引脚定义 直霞奎湮盍堂塑