（检测技术与自动化装置专业论文）基于can总线的一体化测控单元的研究.pdf

摘要 摘要 随着电子技术、计算机技术和通信技术的发展，传感器技术、微型计算机技 术以及现场总线技术也得到了迅猛的发展，三者的结合成为一个必然的趋势。本 文正是在这种趋势下，开始了对基于c a n 总线的一体化测控单元的研究。研制多 功能的一体化测控单元，实现对多种工业应用中的物理量进行测量与控制。 本系统首先综述了研究一体化测控单元的意义，并对目前常用的一些现场总 线特别是c a n 现场总线的性能进行比较和分析，指出将c a n 总线技术应用于工业 现场的参数的测量和控制中的优势，而且具有很强的现实意义。 本系统采用p h i l i p s 公司的高性能的带有c a n 总线控制器的微处理器 p 8 7 c 5 9 1 为核心，设计了具有多种参数和多种传感器输入形式的一体化测控系统， 主要可以用热电阻和热电偶测量温度，测量压力，液位和流量等物理量，并且对 现场设备进行实时控制。 整个系统采用模块化方法进行设计，硬件分为9 个子模块，软件分为9 子模 块，其中利用c a n 总线通信是系统的一个主要功能。论文中详细介绍了p 8 7 c 5 9 1 内部的c a n 控制器的工作方式和通信参数的计算。另外，本系统还采用了较多的 算法。 关键词：c a n 总线；p 8 7 c 5 9 1 ；p i d ；热电偶；a d 5 9 5 三銮三些查耋三兰堡圭耋堡篁圣 a b s t r a c t w i t hd e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c s ，c o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y ，s e n s o r ，m i c r o c o m p u t e r ，a n df i e l d b u st e c h n o l o g yh a v ea l s o b e e nd e v e l o p e dg r e a t l y ，i ti sat r e n dt h a tt h ec o m b i n e do ft h e s et h r e e t e c h n o l o g ya b o v e i nt h eb a c k g r o u n do ft h i st r e n d ，w es t a r t e dt h er e s e a r c h o nt h e i n t e g r a t e d m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lu n i tb a s eo nt h ec a n f i e l d b u s d e s i g na m u l t i f u n c t i o ni n t e g r a lm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lu n i t ， i no r d e rt or e a l i z em e a s u r ea n dc o n t r o lm a n yp h y s i c a lq u a n t i t i e si nt h e i n d u s t r y t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e dt h es i g n i f i c a n c eo fi n t e g r a lm e a s u r e m e n t a n dc o n t r o lu n i t ，a n df e a t u r ec o m p a r i s o na n da n a l y s i so f s o m eu s u a l f i e l d b u s ，e s p e c i a ll yt oc a nb u s ，p o i n to u ti t i sn o to n l yh a v et h eh u g e a d v a n t a g et h a tu s i n gc a n f i e l d b u si nf a c t o r yp a r a m e t e r s m e a s u r e m e n ta n d c o n t r o l ，b u ta l s og r e a tr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c e t h ew h o l es y s t e mi sd e s i g n e di nm o d u l e s ，a n di t i sc o m p o s e do fn i n e m o d u l e si nh a r d w a r ea n dn i n em o d u l e si ns o f t w a r e a n du s i n gc a nb u st o c o m m u n i c a t ei st h em a i nf u n c t i o no ft h es y s t e m i nt h i sp a p e r ，t h ew o r k w a y a n dt h ec a l c u l a t o ro ft h ec o m m u n i c a t i o np a r a m e t e ro ft h ec a n c o n t r o l l e ri nt h ep 8 7 c 5 9 1i sp r e s e n t e di nd e t a i l i na d d i t i o n ，m a n y a l g o r i t h m sh a v eb e e nu s e d i nt h i ss y s t e m 。 k e y w o r d ：c a nf i e l d b u s ：p 8 7 c 5 9 1 ：p i d ：t h e r m o c o u p l e ：a d 5 9 5 i i 第一章绪论 1 1 基于c a n 总线的一体化测控单元( m a c u ) 研究的意义 基于c a n 总线的一体化测控单元只是由它组成的测控管系统中的一个智能 节点，它完成对工业现场物理量的测量并实现对执行器的实时控制。由该测控单 元组成的测控管系统如图1 1 所示。 图1 1 基于c a n 总线的m a c u 系统 f i g u r e l 一1 m a c us y s t e mb a s e do rc a nb u s 图中，测控单元用于对工业现场的物理量进行测量，并对执行器进行实时的 控制，管理中心机主要由人性化的人机界面和数据库组成，人机界面用来设置每 个测控单元所需的参数，数据库用来记录各测控单元的报警信息以及测量值的历 史记录等。每个测控单元都可与管理中心机进行通信，但各个测控单元之间不可 通信，各测控单元可以上传当前的测量值、报警信号以及其它系统控制参数；而 且各测控单元也可以从管理中心机接收数据，例如p i d 控制参数，被测量的给定 值等等。由图可知，由该测控单元构成的测控管系统完全可以处理测控点数较小 的工业控制领域，而不需要使用可编程逻辑控制器( p l c ) ，从而可以减少生产成 本。如果不需组成系统，也可以由该测控单元和执行器一起构成一个完整的测控 系统。综上所述，基于c a n 总线的一体化测控单元具有很强的实用意义。 r 东工业大学工学硕士学位论文 1 2 现场总线的发展概况与性能比较 传统的控制系统难于实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，是一个 “信息孤岛”。要满足自动控制技术现代化的要求，同时实现整个企业的信息集 成，实施综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠的、 造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络系统，完成现场自动化设备之间的多点 数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。现场总线就 是在这种实际需求的驱动下应运而生的。 在1 9 8 3 年，h o n e y w e l l 推出了智能化仪表s m r 变送器，在这之后的几 十年闻，世界上各大公司相继推出了各具特色的智能仪表，给自动化仪表的发展 带来了生机，为现场总线的诞生奠定了基础。但是，应用这种数字模拟信号混合 运行方式的智能仪表系统或设备之间只能按模拟信号方式一对一地布线，难以实 现智能仪表之间的信息交换。 1 9 8 4 年，美国仪表学会( i s a ：i n s t r u m e n ts o c i e t yo fa m e r i c a ) 下属的 标准实施( s t a n d a r da n dp r a c ti c e ) 第5 0 组，简称i s a s p 5 0 开始制定现场总 线标准；1 9 8 5 年，国际电工委员会决定由p r o w a yw o r k i n gg r o u p 负责现场总线 体系结构与标准的研究制定工作；1 9 8 6 年，德国开始制定过程现场总线( p r o c e s s f i e l db u s ) 标准，简称p r o f i b u s ，由此拉开了现场总线标准制定及其产品开发 的序幕。 1 9 9 2 年，以美国的f i s h e r - r o s e m o u n t 公司为首，联合f o x b o r o 、横河、a b b 、 西门子等8 0 家公司制定了i s p ( i n t e r o p e r a b l es y s t e mp r o j e c t ，可互操作系 统规划) 组织，以德国的p r o f i b u s 为基础制定现场总线标准。1 9 9 3 年，成立了 i s p 基金会( i s pf o u n d a t i o n ) 。1 9 9 3 年，由h o n e y w e l lb a i l e y 等公司牵头，成 立了w o r l df i p ，约有1 2 0 多个公司加盟，以法国标准( f i p ：f a c t o r y i n s t r u m e n t a t i o n p r o t o c 0 1 ) 为基础制定现场总线标准。1 9 9 4 年i s p f 和w o r l d f i p 握手言和，成立了现场总线基金会f f ( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 。 与此同时，在不同行业还派生出一些有影响的总线标准。如德国b o s c h 公司 推出的c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 总线，美国e c h e l o n 公司的l o n w o r k s 总 线等。目前现场总线的发展相当迅速，人们预言它将成为2 1 世纪的开放式控制 系统。3 由于技术和利益的原因，国际上存在多种现场总线标准，比较流行的主要有 以下几种：f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ，基金会现场总线) 、l o n w o r k s ( l o c a l o p e r a t i n gn e t w o r k ，局部操作网络) 、p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s ，过程现 场总线) 、c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ，控制局域网络) 和h a r t ( h i g h w a y a d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ，可寻址远程传感器数据通路) 等。表1 一t 列 出了主要的5 种现场总线的性能。 表1 15 种现场总线的性能比较 t a b l e l 1f e a t u r ec o m p a r i s o nf o rf i v ek i n do ff i e l d b u s 现场总线类型 特性 f fp r o f i b u sh a r tc a nl o n w o r k s 楼宇自动化、工 应用范围仪表 p l c 智能变送器汽车 业自动化等 0 s i 网络层次l ，2 ，3 ，8l ，2 ，7l ，2 ，7 l ，2 ，7i 7 双绞线、电力 双绞线、电缆、 通信介质双绞线、光纤电源信号线双绞线、光纤线、电缆、光纤、 光纤、无线等 无线等 介质访问方式令牌、主从令牌、主从令牌、主从位仲裁p p c s m a 纠错方式c r cc r cc r cc r cc r c 通信速率 25121 2l12 5 ( m b i f f s ) 最大节点数 3 21 2 81 51 1 02 4 8 优先级有有有有有 保密性身份认证 本安性是是是是是 开发工具有有有有 由表可知，c a n 总线具有位仲裁，可以无破坏性的传输数据，且c a n 总线允 许的节点数较多，如果需要连接更多的节点，可以用c a n 总线中继器来实现。c a n 总线通信比较可靠，开发工具简单，不需要专门的开发设备，而且开发成本低， 因此它被认为是最有前途的现场总线。“”。1 广东工业大学工学硕士学位论文 1 3 本课题研究的主要内容 本课题研究开发基于c a n 总线的一体化的智能微型测控单元，将该测控单元 安装在执行器( 电动或气动执行器) 上便自成智能测控系统，对生产过程的温度、 压力、流量、液位及其它工艺参数进行测量和自动控制。该测控单元除了输出4 2 0 m a d c 统一标准信号外，还通过c a n 现场总线与管理中心的计算机进行数据通 信。可向中心计算机传输反映生产过程状况的实时数据，也可接受中心计算机的 操作、监视和优化过程控制。中心计算机可对生产过程的历史数据和报警事件进 行存档。 本系统以p h i l i p s 生产的带有c a n 总线控制器的高性能的p 8 7 c 5 9 1 微处理器 为核心组成。具有体积小、精度高、工作可靠、稳定性好和抗干扰能力强等显著 特点。 本系统的主要功能有： i 对生产过程的温度、压力、流量、液位及其它工艺参数进行测量和控制。 2 为扩大本系统的适用范围，设置了热电偶、热电阻、差压变送器、压力 变送器和直流毫伏变送器输入回路，尤其是直流毫伏变送器输入回路，使得凡是 能将被测参数变换成直流毫伏信号的传感器均可与本系统组成智能测控系统。 3 除了输出4 2 0 m a d c 标准统一信号外，通过c a n 总线与中心计算机进行 数据通信。精度为1 0 位二进制数，通信介质为双绞线或光缆。 4 中心计算机通过c a n 总线进行操作、监控和优化过程控制，本系统有较 多的测量和控制算法。例如，热电偶和热电阻的线性化处理，滑动平均值滤波、 气体流量的压力、温度自动补偿，不完全微分的数字p i d 算法等。此外，本系统 还具有自检、自诊断和参数越限自动报警等功能。 5 本系统设置了8 位微型l e d 显示测量值和给定值，以及简易的轻触式三 按钮键盘。在没有管理中心计算机时，与执行器自成测控系统，使过程控制系统 结构更加简单、工作更加稳定可靠。 6 本系统采用高效的c 语言编程，并使用k e i lc 5 1 作为编译器，编译代码 效率高。 第二章c a n 现场总线技术及应用 第二章c a n 现场总线技术及应用 2 1 概述 c a n 总线是德国b o s c h 公司于2 0 世纪8 0 年代为解决现代汽车中众多的控制与 检测仪器之间的数据交换而开发的一种高性能串行通讯协议。c a n 总线是一种多 主总线，任意节点都可在任意时刻向其他节点发送信息，而不分主从，通讯十分 灵活；废除了传统的地址编码方法，并代之以标识( i d e n t i f i e r ) ，对信息进行 优先级仲裁：总线上各节点依据优先级进行访问，以广播的形式进行通讯；有效 的支持分布式控制或实时控制的串行通讯网络。由于c a n 总线通讯速率高( 最高 可达1 m b p s s ) ，价格低廉，因而被广泛应用于运载工具或仪器仪表的电气系统 互连及中小规模的工业监控设备组网，并被公认为最有前途的现场总线之一。 c a n 总线具有以下特性： 多主站依据优先级进行总线访问； 无破坏性的依据优先级进行仲裁； 借助接收滤波的多地址帧传送； 远程数据请求； 配置灵活； 错误检测和出错标定； 发送期问若丢失仲裁或由于出错而遭破坏的帧可自动重发； 将节点的暂时性错误和永久性错误区分开来，并且可自动关闭c a n 的错 误节点。 c a n 总线具有物理层、数据链路层和应用层3 层协议。c a n 总线的接口芯 片以固态形式集成了c a n 协议的物理层和数据链路层，可以完成对通讯数据的成 帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余校验、优先级判别等多项工作。“ 2 2p 8 x c 5 9 1 内部c a n 控制器简介 p s x c 5 9 1 组合了p 8 7 c 5 5 4 ( 微控制器) 和s j a l 0 0 0 ( 独立的c a n 控制器) 的 功能，并在s j a l 0 0 0 的基础上增加了以下c a n 的特性： 增强的c a n 接收中断： 广东工业大学工学硕士学位论文 一有接收缓冲区级的接收中断； 一用于接收中断的高优先级验收滤波器。 扩展的验收滤波器： 一8 个滤波器用于标准帧格式； 一4 个滤波器用于扩展帧格式； 验收滤波器可在运行中改变( c h a n g eo n t h ef l y ) 。 2 2 1p e ii c a n 结构 8 0 c 5 1c p u 接口将p e l i c a n 与p 8 x c 5 9 1 微控制器内部总线相连。通过5 个特 殊功能寄存器c a n a d r 、c a n d a t 、c a n m o d 、c a n s t a 和c a n c o n 对p e lj c a n 进行访问。 p e l i c a n 的方框图见图2 1 ，它的各功能模块列举如下：”l 接口管理逻辑( i m l ) ： 发送缓冲器( t x b ) ； 接收缓冲器( r x b 、r x f i f o ) ； 验收滤波器( a c f ) ； 位流处理器( b s p ) ； 错误管理逻辑( e m l ) ； 位时序逻辑( b t l ) ： 发送管理逻辑( t m l ) 。 图2 1p e l i c a n 方框图 f i g u r e 2 1b l o c kdj a g r a mo fp e l i c a n 第二章c a n 现场总线技术及应用 接口管理逻辑( i m l ) 解释来自c p u 的命令，控制c a n 寄存器的寻址，向主 控制器( c p u ) 提供中断信息和状态信息。 发送缓冲器( t ) 【b ) 是c p u 和b s p ( 位流处理器) 之间的接口。它能存储需 通过c a n 网络传送的一条完整报文。缓冲器长1 3 个字节，由c p u 写入，b s p 读 出。 接收缓冲器( r x b 、r x f i f o ) 是验收滤波器和c p u 之间的接口，用来存储从 c a n 总线上接收并被确认的信息。接收缓冲器( r x b ，1 3 个字节) 作为接收先进 先出缓冲区( f i f o ) ( r x f i f o 。长6 4 字节) 的一个窗口，可被c p u 访问。c p u 在 此f i f o 的支持下，可以在处理一条报文的同时接收其他报文。 验收滤波器( a c f ) 把它的内容和接收到的标识码相比较，以决定是否接收 某条报文。在验收测试通过后，这条完整的报文就保存在r x f i f o 中。 位流处理器( b s p ) 是一个在发送缓冲器、r x f i f o 和c a n 总线之间控制数据 流的队列( 序列) 发生器。它还执行总线上的错误检测、仲裁、填充和错误处理。 位时序逻辑( b t l ) 监视串行的c a n 总线和位时序。它是在一条报文开头， 总线传输出现从隐性到显性时同步于c a n 总线上的位流( 硬同步) ，并且在其后 接收一条报文的传输过程中再同步( 软同步) 。b t l 还提供了可编程的时间段来 补偿传播延时、相位偏移( 例如，由于振荡器漂移) 和定义采样点和每一位的采 样次数。 错误管理逻辑( e m l ) 负责限制传输层模块的错误。它接收来自b s p 的出错 报告，然后把有关错误统计告诉b s p 和i m l 。 2 2 2p e li c a n 控制器与g p u 之间的通信 8 0 c 5 1c p u 接口将p e l i c a n 与p s x c 5 9 1 微控制器内部总线相连( 见图2 2 ) 。 通过特殊功能寄存器可对p e l i c a n 寄存器和r a m 区进行便捷的访问。 p e l i c a n 寄存器可以通过两种不同的方式访问。那些控制c a n 主要功能的最 重要的几个寄存器，它们支持软件轮询，可以像单独的s f r s 一样直接访问；而 p e l i c a n 模块中的其他部分通过一个间接的指针机制进行访问。为了达到高数据 吞吐量，在使用间接寻址时也包含了地址自动增加的特性。 1 c a n 地址寄存器( c a n a d r )该读写寄存器的定义通过c a n d a t 访问的 p e l i c a n 内部寄存器的地址。可将其解释为对p e l i c a n 的一个指针。对p e l i c a n 广东工业大学工学硕士学位论文 接口控制器 。读 | l | | c a n a d r 慝 黧嚣磷霆 一 i ”；嘲| | | | | | | i | | | i i i | i j l 绷戮 l 写 | | | | | c a n d a t | | | | | | | 琵鞭麓戮鏊薹篷 8 0 c 5 l 一 藤 鬻鬻隳霹 内核 1卜 卜毽 ：数据 鞫c a n c o n l l l y 蓊 ny 酽8 “| l i 饕鬻鬻 1卜、 卜燃戮鞭1 j 戮一i厂 地址 溺c a n m o d 鬯 7 # # m * + r - 1 cb 。 图2 - - 2c p u 与c a n 的接口 f i g u r e 2 2i n t e r f a c eb e t w e e nc p ua n dc a n 寄存器的读写访问通过c a n d a t 寄存器执行。通过地址自动增加模式，为c a n 控 制器内部寄存器提供了快速的类似栈的读写。如果c a n a d r 内当前定义的地址大 于或等于3 2 ( 十进制) ，c a n a d r 的内容在任意对c a n d a t 读或写后自动增加。 2 c a n 数据寄存器( c a n d a t ) c a n d a t 作为一个读写寄存器。特殊功能寄 存器c a n d a t 看上去是对c a n a d r 所选的c a n 控制器内部寄存器的一个端口。对 c a n d a t 寄存器的读写等效于对该内部寄存器的访问。需要注意的是，如果 c a n a d r 中当前的地址大于等于3 2 ，那么任何对c a n d a t 的访问将使c a n a d r 自动 增加。 3 c a n 模式寄存器( c a n m o d ) 对p e l i c a n 模式寄存器c a n m o d 是直接进行 读写访问的模式寄存器，位于p e l i c a n 模块中的地址0 0 h 。 4 c a n 状态寄存器( c a n s t a ) 根据访问方向的不同，c a n s t a 提供对p e l i c a n 的状态寄存器和中断使能寄存器的直接访问。对c a n s t a 的读操作是对p e i i c a n 的状态寄存器( 地址0 2 h ) 进行访问；对c a n s t a 的写操作是中断使能寄存器( 地 址0 4 h ) 进行访问。 5 c a n 控制寄存器( c a n c o n ) 根据访问方向的不同，c a n c o n 提供对p e l i c a n 的中断寄存器和命令寄存器的直接访问。对c a n c o n 的读操作是对p e l i c a n 的中 断寄存器( 地址0 3 h ) 进行访问；对c a n c o n 的写操作是对命令寄存器( 地址0 1 h ) 进行访问。 第二章c a n 现场总线技术及应用 除了上述5 个特殊寄存器可以直接读写外，所有其他的c a n 寄存器都需要 进行间接寻址。 2 2 3 验收滤波器 借助于验收滤波器，只有当接收报文中的格式和标识位与验收滤波寄存器预 定义的内容相等时，c a n 控制器才允许将已接收报文传送到r x f i f o 。芯片内有4 组验收滤波器，若至少有一个滤波器匹配，该报文就被复制到r x f i f o 。 验收滤波器由验收代码寄存器( a c r n ) 和验收屏蔽寄存器( a m r n ) 定义。欲 接收的报文的位模式在验收代码寄存器中被定义，对应的验收屏蔽寄存器允许定 义某些位为“无关”( a m r 中定义为“0 ”的位意味着报文中对应位必须参与a c r 对应位的比较，而a m r 中定义为“l ”的位则表示报文中的对应位值不参与滤波 器的比较，不影响滤波结果) 。p 8 x c 5 9 1 的p e l i c a n 设计成支持4 个独立的验收 滤波器组( b a n k ) ，每个组均具有s j a l 0 0 0 的功能，并增加了“在运行中改变” 的特性，每个滤波器组使用的帧格式可在线编程。在验收滤波器相关的寄存器的 类型和地址分配上，p 8 x c 5 9 1 与s j a l 0 0 0 也有较大的区别。 验收滤波器分组见图2 3 。各组的滤波方式、是否使能以及优先级的选择 等均由以下列寄存器的位置确定。 1 验收滤波器模式寄存器( a c f m o d ) 当前的操作模式在验收滤波器模式寄存器( c a n 地址1 d h ) 中定义，见表 2 - - 1 。表2 2 中的x 取值范围1 4 ，表示验收滤波器格式组x 和验收滤波器模 式组x 。仅在复位模式下才可对该寄存器进行写操作。 表2 1 验收滤波器模式寄存器( a c f 模式) 的位说明( c a n 地址i d h ) t a b l e 2 - ta c c e p t a n c ef i l t e rm o d er e g i s t e r ( a c fm o d e ) ( c a na d d r e s s2 9 ) i ， 65432l0 im f o r m a t b 4a m o d e b 4沁o r m ，汀b 3 a m o d e b 30 r m m 2a m o d e b 2m f o r m j m la m o d e b l ( 1 ) 单滤波器配置在该滤波器配置中可以定义一个长滤波器( 4 字节) 。 滤波器字节和报文字节之间位的对应关系取决于已编程的帧格式。 1 ) 单滤波器标准帧如果选择的是标准帧格式，使用包括远程发送请求 ( r t r ) 位的完整的标识码和头两个数据字节进行验收滤波。如果由于置位r t r 位而导致没有数据字节，或因为设置相应的数据长度代码而没有或只有一个数据 三至三些查兰三耋堡圭兰堡篁圣 字节，报文也会被接收到。 表2 2 验收滤波器模式寄存器( a c f 模式) 的功能说明 t a b l e 2 2a c c e p t a n c ef ii t e rm o d er e g is t e r ( a c fm o d e ) 1b i t s 符号名称值功能描述 验收滤波器1 ( e f f )验收滤波器第x 组仅用于扩展帧报文。标准帧报文被忽略 m f o r m a t b l 格式组x0 ( s f f ) 验收滤波器第x 组仅用于标准帧报文。扩展帧报文被忽略 验收滤波器模1 ( 单)单滤波器选项使能一一长滤波器有效 a m o d e b x 式组x0 ( 双)双滤波器选项使能一一短滤波器有效 滤波器2滤波器1滤波器2滤波器l滤渡器2 滤波器1滤波器2滤波器l 滤波器2 优滤波器1 优滤波器2 优滤波器1 优滤波器2 优滤波器l 优滤波器2 优滤波器1 优 图2 3 验收滤波器分组 f i g u r e 2 3a c c e p t a n c ef i l t e rb a n k s 对于一个成功接收的报文，所有单个位的比较都必须是“接受”。注意，图 2 4 中的i r l 和a c r l 的低4 位是不用的。为了和将来的产品兼容，这些位可 1 0 第二章c a n 现场总线技术及应用 通过设置位a m r l 3 、a m r l 2 、a m r i 1 和a m r i 0 定义为“无关”。接收标准帧报 文的单滤波器配置示意图见图2 4 。 lsb辅s日lsbm s 驻i _ s b 。寻啪孵。j 8 i 瓦鹕。寻。u 鞠寻惦。 l 地址：2 0 期穗ii 地址：2 1 剐i 囱卫互丑向团习丑互翌删 liil 百 匾圜强弱固 i 地址：2 2 娜距ll 地址：2 3 a i b i n i 宙田卫丑豇删区囤卫卫丑盈 llii d b x y = 数据字节x 位y 图2 4 接收标准帧报文的单滤波器配置 f i g u r e 2 4s i n g l ef i i t e rc o n f i g u r a t i o n ，r e c e i v i n gs t a n d a r d f r a m em e s s a g e s 2 ) 单滤波器扩展帧如果选择扩展帧格式，整个标识码和r t r 位都用做验 收滤波。为了成功地接收一个报文，所有单个位的比较都必须发出接受信号。注 意，图2 - - 5 中的a c r 3 和a m r 3 的低2 位是不用的。为了和将来的产品兼容，应 当在编程时援a m r 3 1 和u f f t 3 0 为“l ”表示无关。接收扩展帧报文的单滤波器 配置示意图见图2 5 。 m s bl s b i s bi j bi 幅8 l s b i 柏仆：1 6 荫oi | 地址：1 7 c 剐i i 地址：1 8 c 懿 l i 萄；i ；6 13 12 1 , , 1 宙删口豇巫互圈 黼。 粤 嘲瞒。 导 啪鹕。 粤 啪 图2 5 接收扩展帧报文的单滤波器配置 f i g u r e 2 5s i n g l ef i l t e rc o n f i g u r a t i o n ，r e c e i v i n ge x t e n d e df r a m em e s s a g e s ( 2 ) 双滤波器的配置该滤波器配置可以定义两个短滤波器。一条接收的 报文要和两个滤波器比较来决定是否放入接收缓冲器中。至少有一个滤波器发出 接受信号，接收的报文才有效。滤波器字节和报文字节之间位的对应关系取决于 当前接收的帧格式。 1 ) 双滤波器标准帧如果选择标准帧格式，被定义的两个滤波器是不一样 三至三些奎兰三：璧羔堡丝兰 的。第一个滤波器比较包括r t r 位的整个标准标识码和报文的第一个数据字节， 它由验收代码寄存器a c r o 、a c r l 、a c r 3 的低4 位和对应的验收屏蔽寄存器a m r 。 第二个滤波器只比较包括r t r 位的整个标识码，它由验收代码寄存器a c r 2 、a c r 3 的高4 位和对应的验收屏蔽寄存器a m r 组成。 为了成功地接收报文，在进行单个位比较时，应至少有一个滤波器表示接受。 r t r 位置位或数据长度代码为0 时，表示没有数据字节的存在。无论如何，只要 从开始到r t r 位的这部分都被表示接收，报文就可以通过滤波器1 。 如果滤波器不需要过滤数据字节，a m r l 和a m r 3 的低4 位必须被置1 ( 无关) 。 这样，两个滤波器使用包括r t r 位的整个标准标识码进行同样的工作。接收标准 帧报文的双滤波器配置示意图见图2 - - 6 。 过滤器1 报文 l 地址：1 6 c 甜il 地址：1 7 “ c | i c i 匠匡固卫固卫卫司匣固固王匿巨团回国固固习 。 粤 嚆。 寻 峙。寻啪 l 地址：2 0胴i l 地址：2 l “ 球| l 黼i 臣叵团卫团习卫圄叵匝囡乃匿巨固国固田卫 jjj jji 过滤器： 脚畲啪糊畲 i 糌8l s b 鹕b 图2 6 接收标准帧报文的双滤波器配置 f i g u r e 2 6d u a lf i l t e rc o n f i g u r a t i o n ，r e c e i v i n gs t a n d a r df r a m em e s s a g e s 2 ) 双滤波器扩展帧如果选择扩展帧格式，两个定义的滤波器看起来是相 同的。它们由a c r o 、a c r l 和a m r o 、a y l r l 组成滤波器1 ，由a c r 2 、a c r 3 和a m r 2 、 a m r 3 1 组成滤波器2 。两个滤波器均只比较控制标识码的前两个字节。 为了能够成功地接收报文，在所有单个位的比较时应至少有一个滤波器表示 接受。接收扩展帧报文的双滤波器配置示意图参见图2 7 。 2 验收滤波器使能寄存器每个验收滤波器由验收滤波器使能寄存器 第二章c a n 现场总线技术及应用 ( a c f e n ) 中的相应位使能( 置1 ) 或禁止( 清零) ，见表2 3 。如果之前相应 的滤波器被禁止，允许在正常操作时改变验收滤波器的内容。禁止验收滤波器不 允许报文输入到接收缓冲区。 过滤器1 过滤器2 s b啪s bl s 8 。 粤 嘲m 诣 导 峙。 i 地址：2 0 舢啊噼| | 地址：2 l 晡i 臣匝固卫圈卫卫驾叵叵囤卫团卫卫卫 jji 11 1f i 地址：2 2 r 2| | 地址：2 3 枷硌i 臣匝叵团卫蜀卫司团田固卫习墨丑圄 黼 畲 啪黼 童 嘲 i 幅日坞b s bu 疆 图2 7 接收扩展帧报文的双滤波器配置 f i g u r e 2 7d u a lf i l t e rc o n f i g u r a t i o n ，r e c e i v i n ge x t e n d e df r a m em e s s a g e s 表2 3 验收滤波器使能寄存器( a c f 使能) 的位说明( c a n 地址3 0 ) t a b l e 2 3a c c e p t a n c ef i l t e re n a b l er e g i s t e r ( a c fe n a b l e ) ( c a na d d r e s s3 0 ) l ，65 432 10 lb 4 f 2 e nb 4 f 1 e nb 3 f 2 e nb 3 f 1 e nb 2 f 2 e n b 2 f 1 j b nb 1 f 2 e nb l f l e n 一4 。 3 验收滤波器优先级寄存器验收滤波器优先级寄存器( a c f p r l 0 ) 见表2 表2 4 验收滤波器优先级寄存器( a c f 优先级) 的位说明( c a n 地址3 1 ) t a b l e 2 4a c c e p t a n c ef i i t e rp r i o r i t yr e g i s t e r ( a c fp r i o r i t y ) ( c a na d d r e s s3 1 ) l ，65 432l0 lb 4 f 2 p r i ob 4 f 1 p r l 0b 3 f 2 p i u 0b 3 f l l 州ob 2 f 2 p r i ob 2 f l p r j 0b 1 f 2 p r l 0 b 1 f 1 p r i o 每个验收滤波器有两种不同的中断设置： ( 1 ) 高优先级中断当某c a n 报文帧通过验收滤波器时，立即产生接收中 断。该功能允许将某验收滤波器用于报警报文识别，并立即向主c p u 申请中断。 广东工业大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 接收中断级若接收f i f o 中的报文字节数目超过接收中断级寄存器中 的设置值时，产生接收中断。 4 在运行中改变验收滤波器p 8 x c 5 9 1 验收滤波器的配置可使用两种方式 改变。除了在c a n 控制器复位模式中改变滤波器的常用方式外，p 8 x c 5 9 1 还提供 新的运行中改变的特性。图2 8 为在c a n 控制器操作模式中重新配置验收滤波 器的两种方式的流程图。 在运行中改变通过复位模式改变 i 禁止需要改变的寄存器 改变滤波器配置 使能被改变的滤波器 进入复位模式 + 改变滤波器配置 进入操作模式 l 一一一一ll 一一一一i + 图2 - 8 改变验收滤波器的流程 f i g u r e 2 8c h a n g eo fa c c e p t a n c ef i l t e rf l o w s ( 1 ) 在运行中改变每个定义的验收滤波器可通过验收滤波器使能寄存器 的相关位设置为禁止或使能。如果对应的滤波器被禁止就可以在正常操作模式下 改变验收滤波器的配置。这种不中断c a n 总线通信就能方便地改变滤波器的特性 叫做在运行中改变。 ( 2 ) 通过复位模式改变在c a n 控制器的复位模式下所有的验收滤波器都 可以被定义或重新定义，但是在正常操作中这种方式有两个缺点： c a n 通信被中断而且在这段时间内会丢失一些数据； 改变的处理需要花费更多的时间。 第二章c a n 现场总线技术及应用 2 3c a n 控制器位定时参数的计算 c a n 总线的特色之一是其位速率、位采样点及位周期中的采样次数均可由用 户编程。这个特点使得设计者能够进行优化，满足特定的应用要求，如达到最大 的波特率，或最远的通信距离，或最强的抗干扰能力，或三者的折中等等“。为 了实现这个目的，c a n 控制器内置了总线定时寄存器b t r o 和b t r l ，分别位于0 6 h 、 o t h 。通过对b t r o 和b t r l 初始化，写入特定的位定时参数，就可以满足特定的 要求。因此，合理配置位定时寄存器对于c a n 总线应用系统具有重要意义。 2 3 1 与位定时参数有关的基本概念 2 3 1 1 总线定时寄存器b t r o 、b t r l ( 1 ) 总线定时寄存器b t r ob t r o 的位定义如图2 9 所示。 b t r 0 ： m s 8l s b i s 删s j 、j l ，0b r p 5b i u p 4b r p 3b r p 2b r p 1b r p 0 m s b l s bm s bl s b s j wb r p 图2 - - 9 总线定时寄存器b t r o f i g u r e 2 9b u st i m i n gr e g i s t e rb t r 0 图中，b r p 是波特率预置器( b a u dr a t ep r e s c a l e r ) 的缩写，位域b r p 使 得c a n 总线时钟的周期t 。是可编程的，而t s c 。决定了各自的位定时。s i w 是同 步跳转宽度( s y n c h r o n i z a t i o nj u m pw i d t h ) 的缩写，它定义了一个位周期可以 被一次重新同步缩短或延长的时钟周期的最大数目。b r p 及s j w 的值分别由式 ( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 确定： b r p = 2 5 b r p 5 + 2 4 b r p 4 + 2 3 b r p 3 + 2 2 b r p 2 + 2 。b r p 1 十2 。x b r p 0 + 1( 2 ，1 ) s j w = 2 x s j w i + i s j w 0 + 1 ( 2 2 ) 由式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 可知1 b r p 6 4 ，l s j w 4 。 ( 2 ) 总线定时寄存器b t r lb t r l 的位定义如图2 1 0 所示： 图中。s a m 是采样模式位，s a m = o ，为单次采样模式；s a m = i ，为3 次采样模 式。t s e g l 、t s e g 2 分别表示相位缓存段1 、相位缓存段2 。t s e g l 、t s e g 2 的值分 别由式( 2 - 3 ) 和式( 2 4 ) 确定： 广东工业大学工学硕士学位论文 b t r l m s b l s b ls a mt s e g 2 2t s e g 2 1t s e g 2 0t s e g l3t s e g l 2t s e g l 1t s e g l0 m s bl s bm s b乙s 日 s a mt s e g 2t s e g l 图2 1 0 总线定时寄存器b t r l f i g u r e 2 1 0b u st i m i n gr e g i s t e rb t r l t s e g i = 2 3 x t s e g l 3 + 2 2 t s e g l 2 + 2 1 t s e g l 1 + 2 0 t s e g l 0 + 1 t s e g 2 = 2 2 t s e g 2 2 + 2 1xt s e g 2 1 + 2 0x t s e g 2 0 + 1 由式( 2 3 ) 和( 2 4 ) 可知1 t s e g l 1 6 ，1 t s e g 2 8 。 值得注意的是，s a m 与t s e g 2 之间有一定的约束关系： ( 1 ) s a m = o 时，t s e g 2 2 ； ( 2 )