（模式识别与智能系统专业论文）汽车仪表的canopen节点通信的研究与实现.pdf

摘要 摘要 汽车电子技术近年来发展迅猛，本课题根据当前汽车电子技术现状和发展趋 势，把握汽车c a n 总线的技术前沿，提出了混合动力汽车c a n o p e n 节点通信 系统的设计方案。根据系统需求设计嵌入式硬件系统、软件系统、完成c a n o p e n 节点通信设计并对设计结果进行验证。同时研究设计了c a n o p e n 混合动力汽车 仪表的设备行业规范。 硬件部分以处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 、1 6 mf l a s h 、3 2 ms d r a m 作为系统核心部 件，设计外扩了c a n 控制器、a d 转换器、l c d 控制器等主要资源及外围电路， 构成完整c a n o p e n 节点硬件系统。调试硬件，修改系统加载程序b o o t l o a d e r 并 将其成功移植到系统。 系统软件方面，首先在宿主机建立交叉编译工具链，为系统的软件设计建立 开发环境；设计了基于l i n u x 的c a n 和a d 的设备驱动程序，交叉编译到l i n u x 内核并且使系统稳定运行；在宿主机设计目标机的r a m d i s k 根文件系统，移植相 应的开源软件工具包，实现了系统管理命令、用户管理命令、系统启动命令等丰 富的功能，将r a m d i s k 挂载到l i n u x 内核构成完整的嵌入式系统。 应用方面，详细介绍c a n o p e n 的核心技术，剖析c a n o p e n 开源协议栈 c a n f e s t i v a l 的源代码框架，修改驱动层接口将其移植到本系统实现主从c a n o p e n 节点设计；分析b e c k h o f f c a n o p e n 系统的运行特点，总结其设备行规层的流程， 将其应用在本系统并完成对本课题设计的主从c a n o p e n 节点验证。 行规方面，分析混合动力汽车总线网络的特点，总结汽车仪表的发展现状， 在混合动力汽车行规框架下设计汽车仪表的设备行规。 关键字c a n o p e n ；汽车仪表；嵌入式系统；设备驱动程序 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e sa u t o m o b i l ee l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , a n a l y s e s d e v e l o p i n gt r e n do f a u t o m o b i l ec a n - b u sa n dc a n o p e nt e c h n o l o g y , a n di m p l e m e n t s c o m m u n i c a t i o no fc a n o p c nn o d e s a c c o r d i n gt ot h es y s t e md e m a n d , i ti st h o r o u g h l y f i n i s h e dd e s i g n i n gh a r d w a r e ，d e s i g n i n gs o f t w a r e ，i m p l e m e n t i n gm a s t e r s l a v en o d eo f c a n o p e n a n ds u g g e s t i n gc a n o p e nd i g i t a ld a s h b o a r dp r o f i l e b a s e - o nc o r e c i r c u i t - b o a r d , i n c l u d i n gp r o c e s s o r f l a s ha n d s d r a m ， o b j e c t i v e - b o a r di se x t e n d e dw i t hc a nc o n t r o l l e r , a dc o n v e r t e r , l c dc o n t r o l l e r a r e rd e b u g g i n g ，s y s t e mb o o t l o a d e ri sm o d i f i e da n d i m p l a n t e ds u c c e s s f u l l y t h e s o n w a r ed e s i g ni sb a s e do ne s t a b l i s h e dc r o s sc o m p i l et o o l s s o r w a r es y s t e m d e s i g ni sd e v i d e db yt w os t e p s f i r s t l yd e v i c ed r i v e r sf o rc a n a n da da l ed e s i g n e d a n dc o m p i l e dw i t h i nl i n u xk e r n e l s e c o n d l ys o m ek i n d so fs o f t w a r ep a c k e t sa r e i m p l a n t e di n t ot h es y s t e m , t h e nt h ef u l le m b e d d e ds y s t e ma 北e s t a b l i s h e db ya d d i n g s y s t e mm a n a g e m e n tc o m m a n d s ，璐e fm a n a g e m e n t c o m m a n d sa n d s y s t e m i n i t i a l i z a t i o nc o m l n r n d s a p p l i c a t i o ns o f t - w a r ei n c l u d e sp a r t i c u l a r l yi n t r o d u c i n gc a n o p e n , a n a l y z i n g c a n o p e n - s t a c kc a n f e s t i v a lc o d e s , i m p l a n t i n gt h es t a c kt oc a n o p e nn o d es y s t e m f i n a l l yt h ei m p l e m e n t e dc a n o p e nm a s t e r s l a v en o d o sa r ct e s t e dw i t hb c c k h o f f c a n o p e nd e v i c ea n dt h ed a s h b o a r dd e v i c ep r o f i l ei ss u g g e s t e d k e y w o r d s ：c a n o p e n , d a s h b o a r d , e m b c d d e ds y s t e m , d e v i c ed r i v e r s - n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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工业大学或其它教育机构 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。 签名：陈涛日期：2 0 0 7 年5 月 话漓 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：像冯 l 导师签名。戈 日期：山0 7 6 3 第1 章绪论 1 1 研究的背景 第1 章绪论 汽车电子设备的应用，电子设备的增多，特别是电子控制单元的大量引入， 必然导致车身布线愈长愈复杂，运行可靠性降低，故障维修难度增大。为了提高 信号的利用率，要求大批数据信息能在不同的电子单元中共享，汽车综合控制系 统中大量的控制信号也需要实时交换，传统线束己远远不能满足这种要求，于是 人们选择了c a n 网络总线技术【l 】【2 j 。 自c a n 被汽车工业提出以来，一直沿着汽车和其它工业的路线发展壮大， 逐渐成为一种稳定可靠的现场总线而广泛的应用在汽车界和工业界。c a n 是底 层协议，有许多高层协议提出来弥补其不足，其中c a n o p e n 异军突起，近年来 尤被业界看好并流行于欧美工业界，成为极具发展潜力的c a n 高层协议【3 】【4 】嘲。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 c a n 总线 c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n c t w o r k ) 数据总线就是一种极适于汽车环境的汽车局域 网。c a n 总线是德国b o s c h 公司在8 0 年代初为解决数据可靠交换而开发的一种 串行数据通信总线。在现代汽车设计中，c a n 已经成为了必须采用的装置，奔 驰、宝马、大众、沃尔沃及雷诺汽车都将c a n 总线作为控制器联网的手段。由 于我国中高级车主要以欧洲车型为主，因此欧洲车应用最广泛的c a n 技术，也 将是国产车引进的技术项目之一嘲。 汽车工业至今共经历过三次技术创新浪潮：4 0 年代的以高压缩比发动机为 代表的“动力”浪潮；7 0 年代以微处理器为代表的“控制”浪潮；9 0 年代以远 程信息处理为代表的“连通”浪潮，随即导航、智能交通系统、因特网等技术进 入了汽车中。因此在汽车中负担“连通”重任的传输信号和功率的线束必须应用 多路总线传输技术，这已经成为今后汽车发展的必然趋势。一些汽车专家预测， 近l o 年数据总线的引入将是汽车电子技术发展史上的一个重要里程碑。 8 0 年代末，英特尔公司己首先研制出c a n 总线通讯控制器r ( 8 2 5 2 6 ) ，随后菲 利浦公司推出c a n 总线通讯控制器( 9 2 c 2 0 0 ) 。9 0 年代初，菲利浦公司生产了带 有c a n 总线控制器的单片机( p s x c 5 9 2 ) ，后又推出带数字，模拟输入输出功能的 c a n 总线控制器( 8 2 c 1 5 0 ) ，可用于传感器等非开关量的传输，使c a n 总线应用 技术向成熟发展。摩托罗拉公司也推出带有c a n 总线控制器的单片机( 6 8 h 0 5 x 4 和6 8 h0 5 x 1 6 ) ，西门子公司也推出带有c a n 总线控制器的单片机化1 6 7 c ) 。此 外，还有菲利浦公司的8 2 c 2 5 0 ，西门子公司的8 i c 9 0 9 1 ，n e c 公司的7 2 0 0 5 ， s i l i o n i 公司的5 1 9 2 0 0 单片机等。在c a n 协议推出的短短几年内，便有如此众 多的半导体厂提供众多的c a n 总线器件，足以证明c a n 总线的强大生命力和 诱人的市场前景。 9 0 年代，多路总线传输技术在汽车上成功使用的例子越来越多，一些名牌 高档车，如奔驰( b e n z ) 、宝马( b m w ) 、保时捷( p o r s c h e ) 、劳斯莱斯 ( r o l l s r o y c e ) 美洲豹( j a g u a r ) 等都已开始采用c a n 协议的多路总线传输技 术来实现汽车内部控制系统，以便于检测执行机构间数据通讯【_ 7 】嘲 1 2 2c a n o p e n 协议 c a n 总线协议作为一种通讯协议，不可能对每一种具体使用场合作更进一 步的规定，一些厂家和公司也对汽车多路总线传输制定了进一步的标准，如美国 s a e j l 7 0 8 、j 1 7 8 7 、j 1 7 9 2 以及最新的j 1 9 3 9 ，标准中对优先权、数据格式、资源 共享等问题作出了进一步的规定。但各大公司对另外形式总线及相关标准的研究 并没有停止，并且还在推出新的总线形式及相关标准，如d e v i c e n e t ，c a n o p e n ， c a n k i n g d o m ，s d s 等。它们都得到c i a ( c a ni na u t o m a t i o n ) 的支持，符合 i s o l l 8 9 8 标淮，同时又各具特色【9 】【l o 】。 c a n o p e n 应用层协议在国外已有很多方面的应用，受到了足够的重视。在 欧洲，c a n o p e n 协议己被广泛的应用于医疗装置中，并进一步扩展应用到保安 控制系统中；在美国，c a n o p e n 协议己经成为装载机械和公共运输设备的协议 标准，同时也应用于各种基于嵌入式系统的控制。 目前，国外己有许多大公司开发了c a n o p e n 软件和硬件产品，如v e c t o r 的c a n o p e n 开发工具c a n o e ；b e c k h o f f 的c a n o p e n 工业控制模块等。协议 栈源码目前存在两种状态：公司组织开发维护的源代码售价通常较高，性能、兼 容性和技术支持也有较好的保障；个人开发维护通常为开源软件，容易在互联网 上下载，如c a n f e s t i v a l 。 1 2 3 嵌入式系统 根据i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控制、 监视或者辅助设备、机器或车间的运行的装置”( 原文为d e v i c e s u s e d t o c o n t r o l ， m o n i t o r o ra s s i s tt h eo p e r a t i o no f e q u i p m 自a t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。嵌入式系 第1 章绪论 统以应用为中心、以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪。近年来凭借着适应性 强、高可靠性、低成本、体积小、功耗低等诸多优点己经渗透到日常生产、生活 中的各个方面，在工业、服务业、消费电子等领域的应用范围不断扩大。 一般而言，嵌入式系统的构架可以分成三个部分：嵌入式硬件平台、嵌入式 操作系统和嵌入式应用软件，三者之间密切结合。嵌入式操作系统根据硬件平台 进行了定制，而应用软件也是在硬件平台和操作系统确定的基础上，专为所运行 的系统平台而设计的，具有小型化、专用性等优点。 嵌入式操作系统的种类繁多，大体上可分为两种商用型和免费型。商用 型的实时操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，如w i n d o w s c e 、 v x w o r k s 但往往价格昂贵。免费型的实时操作系统在价格方面具有优势，目前主 流有l i n u x 和u c o s 1 h 1 2 。 1 2 4c a n o p e n 网络结构 c a n o p c n 是由从事工业控制的c i a ( c a n in au t o m a f i o n ) 的会员开发的基于 c a n 总线的应用层协议。简单的说，c a n o p e n 就是将c a n 网络中通讯数据的 组建和传输进行标准化，并给用户很大的自由度，允许用户随时添加自己所需要 的新功能。c a n o p e a 协议主要有以下内容： 。 ( 1 ) 以对象字典为核心概念，用来定义设备和通讯的相关参数和与各类操作 之间的接口，其它操作均需对对象字典进行； ( 2 ) 针对数据流量需要和实时性要求的不同，定义了用于过程数据通讯( p d o ) 和服务型数据通讯( s d o ) 两种主要的通讯模式； ( 3 ) 定义了状态管理、节点保护和特殊标识符分配( d b t ) 等网络管理服务和 应急对象、时间标记同步信g ( s y n c ) n 操作x c t 1 3 t 1 4 1 。 c a n o p e n 高层协议具有以下特点： ( 1 ) 既支持管理控制层的数据传输，同时也兼容同一物理层比较小的传感器 和执行器，这就避免了传感器执行器与高层通讯之间网关的不必要的花费； ( 2 ) 既支持对设备参数的直接读取，也支持实时过程的数据通讯； ( 3 ) 既支持周期性通讯也支持事件触发通讯，可以最大可能地减小总线上的 负载，同时保证最小的响应时间，使网络在波特率较低的情况下也可以获得比较 好的通讯特性，特别适合于实时性的工业自动化； ( 4 ) 在c a n 总线系统的所有硬件设备不变的情况下，能够开发出c a n 的潜 在功能，而对物理层硬件连接无特殊的要求【1 5 】【1 6 1 北京工业大学工学硕士学位论文 1 3 课题的研究意义 本课题的主要任务是开发c a n o p e n 主从节点并实现通信。在开发过程中采 用了当前流行的嵌入式技术。处理器采用工业级a r m 9 系列，充分保证了 c a n o p c n 节点拥有比较快速稳定的运行能力。软件采用了嵌入式l i n u x 操作系统 作为系统平台，根文件系统实现较复杂的功能，整个系统功能丰富，具有良好的 扩展性和灵活性。 目前，我国在汽车领域c a n 的应用仍处于起步阶段，对于c a n o p e n 技术 甚至还处于了解阶段。因此本课题借助混合动力汽车的平台背景开发了c a n 节 点并实现了c a n o p e n 主从节点的通信，同时尝试建立混合动力汽车c a n o p e n 的行业规范架构并初步设计汽车仪表的设备行规。设计完整的c a n o p e n 汽车行 规并非一朝一夕、也并非一人之力所能成就，因此通过本课题的初步研究，希望 课题继续开发的时候能够借此而站在一个更高的起点早日完全实现c a n o p e n 汽 车行规，同时借助本次课题的研究也希望能促进我国学术界及技术领域加深对 c a n 、c a n o p e n 的了解和掌握。 1 4 研究内容 利用接下来的四章内容介绍本课题开发的基本过程： 第二章首先提出系统的构成方案和开发总流程，集中介绍节点实现的硬件结 构，其中重点是c a n 技术的详细介绍，难点是c a n 接口芯片的时序逻辑处理。 第三章介绍软件的系统结构，建立交叉编译开发环境是软件开发的基础，根 据硬件资源修改引导加载程序，为本系统特有，建立适合本系统的根文件系统。 第四章主要说明设备驱动程序编写和l i n u x 的交叉编译，是c a n o p e n 节点 通信实现的关键步骤，也是课题的难点之一。 第五章详细的叙述了c a n o p e n 技术，c a n o p e n 协议栈源代码的移植方面详 细描述了c a n f e s t i v a l 源码的软件架构，最后设计建立了混合动力汽车的 c a n o p e n 行业规范。 第六章对本课题设计的c a n o p e n 节点进行实际验证测试，分析和验证过程 中采用了b e c k h o f f 的c a n o p e n 产品作为参考标准，给出分析和验证的操作过程 并采集总线实际数据作为验证的支持。 第2 章硬件平台设计与实现 第2 章硬件平台设计与实现 2 1 系统构成方案 首先进行系统的总体设计，选择系统的核心构成部分，然后在此基础上详细 设计整个系统。下面分别介绍系统的硬件和软件的构成方案。 当今嵌入式系统硬件设计通常是选择适合于系统特性的c p u ，然后根据c p u 参考前人设计好的、工作比较稳定的系统组合，c p u 设计公司推荐的组合器件 和推出的开发样板尤具参考价值。否则如果从头开始选择器件，需要考虑类似器 件的兼容问题及从新设计器件的地址分配，设计过程复杂，周期长，花费的费用 也相对比较高。 本系统由于开发时间及费用的要求采用了通常的设计方法，参考稳定的设 计，进行一定的修改，以适合本系统的要求。a t m e l 公司的a t 9 1 r m 9 2 0 0 是当前工 业应用领域比较流行的处理器，依据其稳定的性能和合理的价格在芯片市场占有 突出的销售量。国内也有诸多公司里利用a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器制定各种工业应用方 案，本系统设计主要采用国内f f t 公司的开发板模型。 f f t 公司的参考模型采用了嵌入式l i n u x 操作系统方案。嵌入式l i n u x 操作 系统是完全免费的自由软件，代码完全公开并且丰富的开源应用软件也较容易获 得，有利于根据自己的硬件系统进行合理的定制，因此本设计选用嵌入式l i n u x 作为系统的操作系统，所有的应用都在该系统的基础上进行开发。本系统设计中 的b o o tl o a d e r 和l i n u x 内核的参考源代码均由f ir 公司提供。 图2 1 为本系统的软硬件整体框架： 硬件平台有处理器、存储器、c a n 、l c d 、a d 等主要器件 b o o t l o a d e r 对系统硬件作基本配置并引导l i n u x 操作系统 l i n u x 内核利用设备驱动程序交互底层硬件，同时根文件系统为应用程序 提供良好接口 应用软件主要包括c a n o p e n 协议栈的移植 北京工业大学工学硕士学位论文 应用程序( c a n o p e n ) 1r 图厶l 系统软硬件结构总图 f i 9 2 1s y s t e ms o f t w a r ea n dh a r d w a r e a r c h i t e c t u r e 2 2 系统开发流程 硬件系统的设计主要是原理图的设计和系统电路板布线设计以及硬件调试。 原理图设计过程中参考了f f t 公司的开发板的原理设计，保留最小核心器 件组合。参考芯片手册进行了修改，主要添加了c a n b u s 和a d 相关器件，其中c a n 接口逻辑时序需要作调整，采用c p l d 器件，设计细节见2 4 节。 硬件电路板的设计主要是电路板布线的过程，本系统原理图和p c b 布线的设 计均在p r o t e l 9 9 s e 软件环境下完成。由于本系统的工作频率较高，扩展器件较多， 有许多需要注意的地方，详细请参考电路板设计一节介绍。 硬件电路的调试是同软件系统移植相结合完成的，大致分为两个步骤： 1 、a d s 环境+ i c e 仿真器下调试系统各芯片内部寄存器： 2 、嵌入式软件的移植验证。 在线仿真器i c e ( i n c i r c u i te m u l a t o r ) 是一种模拟c p u 的高速设备，使用 仿真头完全取代目标板c p u ，可以完全仿真a r m 芯片行为 ， a d s ( a 跚d e v e l o p e rs u i t e ) 是a r m 公司推出的新一代a r m 集成开发工具， 与i c e 相结合是a 跚硬件开发的较理想的工具组合。a d s 软件集成了： 代码生成工具，用于源程序编译、汇编、链接，且该工具生成的可执行代 码比其他公司的t j 、2 0 ； 第2 荦硬件平台设计与实现 集成开发环境c o d e w a r r i o ri d e ，工程管理器、代码生成接口、语法敏感 编辑器、源文件和类浏览器、文本搜索引擎等； g a r m 扩展调试器a x d ( a 跚e x t e n t i o nd e b u g g e r ) ，断点设置、堆栈显示、 寄存器和存储器显示、命令行接口等功能； 指令模拟器，无须任何硬件可以完成一部分调试； a r m 开发包和a 跚应用库，提供基本例程和函数库方便用户快速开发。 本设计在调试阶段，采用了f f t 公司提供的最小系统的b o o t l o a d e r 、内核 和r a m d i s k 来验证硬件系统的主要部分( c p u 、f l a s h 、s d 鼬蝴) 工作是否正 常。该最小系统是在相同硬件配置下可以工作的软件。但是经过深入的调试，核 心板在时序脉冲宽度等技术指标和f f t 的有一定出入，因此在f f t 的基础上对 b o o t l o a d e r 作了修改，使之正常运行。 l 原理图设计l 【p c bi 殳计l 【电路板调试 开发工具建立 b o o t l o a d e r 移植 驱动设计内核裁减 【r a m d i s k 驯- 系统软件移植 应用软件移植 图2 - 2 系统开发流程总图 f i 9 2 - 2w h o l es n s t e md e v e l o pf l o w 软件的开发，首先要在宿主机建立交叉编译环境( 又称为交叉编译开发工具 链) 。该工具链是软件开发工作的基础，所有的系统软件和应用软件均在该工具 链环境中移植和开发。交叉编译环境建立完成后，在该环境下面进行r a m d i s k 建 立，系统命令软件移植、应用程序移植的工作。 u - b o o t 、l i n u x 内核和r a m d i s k 均需要下载到目标系统运行，本系统的下载 在w i n d o w s 超级终端或l i n u x 的m i n i c o m 环境下进行【1 7 1 嘲。 2 3 硬件系统构成 嵌入式系统有专用配置的特点，可以根据具体需要灵活裁减，如图2 3 为本 系统的硬件构成框图。图中所列各个部分均为系统需要具有的功能，并且不预设 北京工业大学工学硕士学位论文 多余部件，以达到系统的最小化，各个功能模块的简介如下： 图2 - 3 系统硬件框图 f j 妒- 3s y s t e mh a r d w a r es c h e m a t i cd i a g r a m c p u 采用a n 也l 公司的a r m 9 应用处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 ； r o m 存储器采用1 片1 6 立1 6 m 字节容量的f l a s h 用于程序存储； 内存采用2 片1 6 位的s d r a m 并联组成3 2 位存储系统，总容量为3 2 m 字 节，用于系统运行及数据暂存空间； 以太网口用于和宿主机进行大容量程序传输； o c a n 总线接口用于e c u 现场总线节点互联以构成c a n o p e n 网络； 液晶显示接口用于系统监视报警的人机接口； 0 4 路a d 采样输入用于模拟量输入通道； 0 4 x 4 键盘用于人机接口输入设备； o u s b 从设备可以使外部u s b 主设备能够读取本系统的数据； 串行口和i c e 盯a g 接口连接宿主机，用于系统调试。 2 4 c a n 通道设计 2 4 1c a n 简介 控制器局域网c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ( c a n ) ，属现场总线的范畴，是一种有 效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，最早于2 0 世纪8 0 年代初由德国 第2 苹硬件平台设计与实现 b o s c h 公司为解决汽车传感器监控系统而设计。c a n 属于i s o 体系结构，实现 物理层，数据链路层和应用层三层协议，其物理层和数据链路层协议已集成在芯 片中，通过硬件可自动完成串行一并行数据格式转换以及数据的成帧发送和接 收。 控制器芯片依其低成本、高可靠性、高总线利用率、实时性好以及完善的故 障检错机制等卓越的性能，已广泛应用于汽车电子、消费电子、工业控制、医疗 仪器、纺织机械、船舶运输、铁路信号传输等众多设备以及建筑、环境控制等众 多领域中，目前已成为国际上应用最广泛的现场总线之一。 2 4 1 1 核心技术 c a n 作为一种广泛应用的现场总线，拥有很多其他总线所没有的特点： c a n 是唯一有国际标准的现场总线。符合国际标准i s 0 1 1 8 9 8 规范，c a n 总线规范2 0 分为p a r t a ( 1 1 位仲裁标识符) 和p a r t b ( 2 9 位仲裁标识符) ； 通信线路由c a n h 和c a n l 两根导线组成。逻辑1 为隐性，两线均为2 5 v ： 逻辑0 位显性，c 舢5 v ，c m 儿1 5 v ； 总线上两个节点最大距离1 0 k i n ( 5 k b p s 以下) ，位传输速率最高达1 m b p s ( 4 0 m 以内) ； c a n 总线节点数主要取决于总线驱动电路，目前可多达1 1 0 个； 通过报文滤波器设置可实现点对点，一点对多点( 成组) 及全局广播几种数 据传输方式； 采用非破坏性仲裁机制使得最高优先级的节点能以0 延时的状态下传输 报文，严重负载下也不会出现网络瘫痪； c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求， 高优先级的数据最多可在1 3 4 u s 内得到传输； c a n 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 向其他节点发送信息： c a n 采用短帧结构，受干扰的概率低，保证了数据的出错率极低； 2 4 1 2 数据帧格式 数据帧由7 种不同的域组成：帧起始( s t a r to ff r a m e ) 、仲裁域( a r b i t r a t i o n f r a m e ) 、控制域( c o n l z o lf r a m e ) 、数据域( d a t af r a m e ) 、c r c 域( c r cf r a m e ) 、 应答域( a c kf r a m e ) 、帧结尾( e n do f f r a m e ) ，其中数据域的长度可以为0 。各种 域的定义如图2 _ 4 所示。 北京工业大学工学硕士学位论文 图2 4 c a n 总线数据帧格式 f i 9 2 - 4c a nd a t a - f r a m ef o m a t e ( 1 ) 帧起始 标志数据帧和远程帧的起始，仅由一个显位构成。只有在总线处于空闲状态 才允许站开始发送。接收节点必须和发送节点的帧起始前沿同步。 ( 2 ) 仲裁域 由标识符和远程发送请求位( r t r ) 组成。标识符长度为l l 位，以从高到低的 顺序发送，最低位为i d 0 ，其中最高7 位( i d 1 0 - - , i d 4 ) 不能全为隐位。r t r 位在 数据帧中是显位，而在远程帧中为隐位。 ( 3 ) 控制域 控制域包括6 位，包括数据长度码和两个保留位。这两个保留位必须发送显 性位，但接收器认可显位与隐位的全部组合。数据长度码指出数据场的字节数目， 数据长度码为4 位。 ( 4 ) 数据域 数据域由数据帧中被传送的数据组成，包括肚8 个字节，每个字节8 位，首 先发送的是第一个字节的最高有效位。 ( 5 ) c r c 域 c r c 域包括c r c 序列，后随c r c 界定符。c r c 序列由循环冗余码求得的 帧检查序列组成，最适用于位数小于1 2 7 ( b c h 码) 的帧。为实现c r c 计算，被 除的多项式系数由包括帧起始、仲裁场、控制场、数据场( 若存在) 在内的无填充 的位流给出其1 5 个最低位的系数为0 ，此多项式被发生器产生的下列多项式除 ( 系数为模2 运算) x 1 5 + ) 【1 4 + x 1 0 + x 8 + x 7 埙4 + x 3 + 1 该多项式除法的余数即为发向总线的c r c 序列。为完成此运算，可以使用 一个1 5 位移位寄存器c r c r c ( 1 4 ：o ) ，若以n x t b i t 标记该位流的下一位，它 由帧起始直至数据场结束的没有填充位的序列给定。发送，接收数据场的最后一 位后，c r c - r g 包含c r c 序列。c r c 界定符：c r c 序列后面是c r c 界定符， 它只包括一个隐位。 ( 6 ) 应答域( a c k ) 第2 章硬件平台设计与实现 应答域有两位，包括应答间隙和应答界定符。在应答域中，发送器送出两个 隐位。一个正确的接收到有效报文的接收器，在应答问隙，将此信息通过发送一 个显位报告给发送器。所有接收到匹配c r c 序列的站，通过在应答间隙内把显 位写入发送器的隐位来报告。应答界定符是应答场的第二位，并且必须是隐位， 因此，应答间隙被两个隐位( c r c 界定符和应答界定符) 包围。 帧结束 每个数据帧和远程帧均由7 个隐位组成的标志序列界定。 2 4 1 3 其他帧简介 激活为数据接收器的站可以借助于传送一个远程帧初始化各自源节点数据 的发送。远程帧由6 个不同分位域组成：帧起始、仲裁域、控制域、c r c 域、 应答域和帧结束。 同数据帧相反，远程帧的r t r 位是隐位。远程帧不存在数据域。d l c 的数 据值是独立的，可以是啦8 中的任何数值，这一数值为对应数据帧的d l c 。 出错帧由两个不同场组成，第一个场由来自各站的错误标志叠加得到，后随 的第二个域是出错界定符。 超载帧包括两个位域：超载标志和超载界定符【1 9 1 r 2 0 2 1 1 1 2 2 1 。 2 4 2a r m + c a n 硬件结构 图2 - 5 所示为本系统c a n 原理框图：a t 9 1 r m 9 2 0 0 与c a n 控制器s j a l 0 0 0 接口，将8 位数据线的并行数据转换成c a n 模式的串行数据，c a n 收发器 t j a l 0 5 0 将控制器转换的1 几串行数据转换成c a n 标准电平，由c a n h 、 c a n l 发给c a n 总线；反之为接收过程。 处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 和控制器s j a l 0 0 0 之间通过一片c p l d 作时序和电平 的兼容性处理。控制器s j a l 0 0 0 和收发器t j a l 0 5 0 之间添加光电耦合器件和电 源隔离器件，提高总线的抗干扰能力。 图2 - 5c a n 节点原理框图 f i 9 2 - 5c a n n o d es c h e m a t i cd i a g r a m 北京工业大学工学硕士学位论文 s j a l o o o 是一种独立的c a n 控制器，主要用于移动目标和一般工业环境中 的区域网络控制。它是p h i l i p s 半导体公司p c a 8 2 c 2 0 0c a n 控制器( b a s i c c a n ) 的替代产品，支持b a s i e c a n 模式和p e l i c a n 模式，支持c a n2 0 a 协议和 c a n2 o b 协议，最大通信位速率可达1m b p s ，新的操作模式p e l i c a n 具有很 多新特性，如最近一次错误代码寄存器，可读写访问的错误计数寄存器，接收 自身报文等。 t j a l 0 5 0 是p h i l i p s 公司生产的、用以替代8 2 c 2 5 0 的高速c a n 总线驱动 器。该器件与i s 0 1 1 8 9 8 标准完全兼容，除了具有8 2 c 2 5 0 的主要特性以外，在 某些方面的性能还作了很大的改善，如具有强电磁干扰下宽共模范围的差动接收 能力，优化了输出信号c a n h 和c a n l 之间的耦合，降低了信号的电磁辐射 ( e ) 2 3 1 1 2 4 1 。 2 4 3 接口逻辑设计 c a n 总线最初是用于解决汽车中控制与测试仪器之间的数据交换，因此其 控制器芯片设计时主要是与普通单片机的接口相匹配，p h 儿i p s 公司的s j a l 0 0 0 就是一款高性能的控制器，其地址总线和数据总线是复用的，提供i n t e l 和 m o t o r o l a 两种寻址方式，可以非常方便的与单片机接口，i n t e l 方式下，地址和数 据分时传送，一个读写时序内首先传送地址，然后传送数据。当a l e 为高电平 时，是地址总线周期，a l e 下降沿到来时s j a l 0 0 0 将总线有效地址锁存。当a l e 为低电平且c s 也为低电平时为数据总线周期。当r d 为低电平时准备读数据， w r 为低电平时准备写数据，r d 和w r 上升沿到来时s j a l 0 0 0 分别进行读写操 作。 表2 1a t g l r m 9 2 0 0 芯片直流电特性 t a b l e 2 1a t 9 1 r v 1 9 2 0 0c m pd cc h a r a c t e r i s t i c s 符号参数 条件最小最大 单位 v i l 输入低电平 - 0 3o 8v v m 输入高电平 23 8v l 输出低电平 1 0 1 = $ ( 1 6 ) m a0 4 v i o l = o0 2 ) h 输出高电平 1 0 1 = 8 ( 1 6 ) m a2 9v 1 0 1 = 03 1 l l e a k 输入漏电流上拉电阻禁止 lu a i p u u 输入上拉电流 v d d = 3 o r m - - 01 2 9u a v d d = 3 6v m - - 03 2 2 第2 章硬件平台设计与实现 而a t 9 1 r m 9 2 0 0 的地址总线和数据总线是分开的，处理器进行读写操作时， 地址和数据同时工作，9 2 0 0 控制总线n c s 、n r d 和n w r 功能上分别对应 s j a l 0 0 0 的c s 、r d 和w r ，实现片选读写的功能。9 2 0 0 没有a l e 因此控制管 脚不完全匹配，9 2 0 0 不能如同普通单片机那样和s j a l 0 0 0 直接接口。另外9 2 0 0 芯片3 3 v 供电，s j a l 0 0 0 芯片5 v 供电，直流电特性如表2 1 和表2 2 所示，对 比两表内容，只有少数诸如c s 、r d 、w r 等管脚满足接口特性要求，其余或高 于( 或低于) 接口要求，若9 2 0 0 电平过低则不能进行正常读写操作，若s j a l 0 0 0 电平过高则9 2 0 0 除了不能正常工作还有烧坏芯片的安全隐患。 表2 - 2s j a l 0 0 0 芯片直流电特性 t a b l e 2 - 2s j a l 0 0 0c h i pd cc h a r a o e r i s t i c s 符号参数条件最小 最大单位 输入低电平0 50 8 v v j h 输入高电平 2 o5 5v v o l输出低电平i o l = 4 m ao 4v v b h 输出高电平 i o l = - 4 m a4 6v i i e a k 输入漏电流 v i = - 0 5 _ 5 5 v1 01 0u a i o z 输出关电流 v i = - 0 5 - 5 5 v4 04 0u a 为了解决上述系列问题，再考察信号线复杂程度，决定采用一片c p l d 来模 拟s j a l 0 0 0 的控制时序以及解决5 v 和3 3 v 信号的接口电平兼容问题。选用 a l t e r 公司生产的多数组矩阵复杂可编程逻辑器件( c p l d ) e p m 7 1 2 8 作为产生 时序逻辑控制的芯片，芯片利用c m o se p r o m 工艺实现。内部有2 5 0 0 个可用 门，1 2 8 个宏，8 个逻辑数组。外部有8 4 个管脚，5 9 个可用i o 。将管脚v c c i n t 连接5 v 电源，使得7 1 2 8 输入端为标准t r l 电平标准，与5 v 、3 3 v 标准的接 口信号均兼容，再将管脚v c c i o 连接3 3 v 电源，则7 1 2 8 输出端也和5 v 、3 3 v 接口信号同时兼容。 北京工业大学工学硕士学位论文 图2 - 6s j a l 0 0 0 时序调整逻辑电路 f i 9 2 - 6a ”l m i n gl o g i cc i r c u i tf o rs j a l 0 0 0 图2 6 所示a t 9 1 r m 9 2 0 0 和s j a l 0 0 0 接口逻辑设计，实现了不同体系结构 芯片接口时序兼容性。e p m 7 1 2 8 的v c c l 0 管脚连接电源3 3 v ，使得c p l d 所 有输入输出管脚和3 3 v 电平标准兼容。8 个i o 引脚d o _ d 7 和8 个d t o d t 7 设置为双向1 0 属性的信号，分别与9 2 0 0 的8 根数据线和s j a l 0 0 0 的8 根数据 线地址线相连接，9 2 0 0 数据线间接通过c p l d 负责向s j a 分时传送地址信号和 数据信号，将9 2 0 0 的p i o 控制线p c 0 设计为控制数据流向的开关，相应设计8 个双向数据线开关，由p c 0 统一控制：当p c 0 = i 时数据由d o _ d 7 流向d t o d t 7 ，实现9 2 0 0 写数据功能，当p c 0 = 0 时数据由d t o _ d t 7 流向d o _ d 7 ，实 现9 2 0 0 读数据功能。9 2 0 0 地址线a 0 用来产生s j a l 0 0 0 匹配的地址锁存a l e 信号，9 2 0 0 地址线空闲时为高电平，有效时为低电平，而s j a l 0 0 0 控制时序图 所示a l e 空闲为低有效为高，所以首先将a 0 反向，产生a 0 再缓冲到a i 正。 c p l d 模拟s j a l o o o 一个完整控制时序由两个9 2 0 0 基本读写时序构成，第 一个时序数据线作地址线用，将地址信号送到s j a l 0 0 0 总线上，下一个时序传 送有效数据，因此完成一次正常s j a 读写操作将会产生一次多余的有效脉冲信 号，如s j a l 0 0 0 读时序当中9 2 0 0 首先写地址然后读数据，n w r 和n o e 在一个 s j a l 0 0 0 读时序中分别产生一个负脉冲，n c s 产生两个负脉冲，n w r 和第一个 n c s 为多余脉冲，同理一个s j a l 0 0 0 写时序中n w r 产生两个