（信号与信息处理专业论文）can总线及其在雷达系统中的应用.pdf

捅要 本文实现了将一种先进的测控总线现场总线引入实际的工程项目中。现 场总线代替传统的总线是当今总线的发展趋势。本论文讨论了基于现场总线中的 一个代表c a n 总线在雷达信号处理机中的模板开发设计问题，并重点论述了 如何在接口板上用c a n 总线控制器s j a l 0 0 0 和两种器件配合形成c a n 总线的方 法。文中首先介绍了相关的现场总线、c a n 总线的基本概念以及c a n 总线系统 构成模块的设计原理和框图，并详细介绍了c a n 总线的传输机制。最后提出了使 用单片机8 9 c 5 2 组成c a n 总线系统的方法，讨论了基于t m s 3 2 0 系列d s p 组成 c a n 总线系统的方法。本文使用v h d l 和汇编语言对前者进行了详细的电路原理 和逻辑原理设计，并给出各个子功能模块设计以及硬件仿真调试结果。 关键词：现场总线c a n 总线d s p c p l ds j a l 0 0 0v h d l 单片机 a b s t r a c t i nap r a c t i c ep r o j e c t ，w ea d o p taa d v a n c e dk i n do fb u s f i e l db u s i ti sa c u r r e n tt e n d e n c yt h a tf i e l db u sw i bs u b s t i t u t et h et r a d i t i o n a lb u s ，t h i sp a p e rd i s c u s s e s t h e d e s i g no fr a d a rs i g n a lp r o c e s s i n gm a c h i n ei n t e r f a c e c i r c u i tb a s e do nc a nb u s ， w h i c hf o c u s e so nt h er e a l i z a t i o no fc a nb u so ns i g n a lp r o c e s s i n gi n t e r f a c em o d u l e ， u s i n gc a n b u sc o n t r o l l e ra n do t h e rt w op a r t so fa na p p a r a t u s f i r s t l y , t h et e c h n o l o g yo f c a nb u s ，ak i n do ff i e l db u s ，i si n t r o d u c e dh e r e ，t h e nt h ep r i n c i p l eo fa n dm e t h o df o r d e s i g n i n gc a n b u sm o d u l eb o a r da r ed i s c u s s e da n dt h es c h e m eo ft h ec i r c u i ti sg i v e n a f t e rt h a tt h et r a n s f e rm e c h a n i s mo fc a nb u si sn a r r a t e di nd e t a i l s u b s e q u e n t l y , t w o k i n d so ft h er e a l i z a t i o n so fu s i n gs i n g l ec h i pa n dd s pt od e s i g nc a nb u sa r ep u t f o r w a r d i nt h ec a s eo fs i n g l ec h i p ，a u t h o rh a sa c c o m p l i s h e dt h ed e s i g no fc i r c u i t d i a g r a m ，l o g i cd i a g r a ma n df u n c t i o n s o fa l ls u b s c h e m aw i t hv h d la n da s s e m b l e l a n g u a g e ，t h er e s u k so f t h eh a r d w a r es i m u l a t i o n so ft h ed e s i g na r eg i v e na tt h ee n do f t h i sp a p e r k e y w o r d s ：f i e l db u s ，d s p ，c p l d ，s j a l 0 0 0 v h d l ，s i n g l ec h i p 创新性声明 y 5 8 3 6 1 0 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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 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做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名： 炙明宁 日期型垒：，兰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 本人签名： 导师签名：丝翌日期鲨兰三 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文产生的背景和意义 近些年来，随着v l s i 技术的发展，计算机系统的性能得到了飞速的提高，计 算机总线技术也得到了相应的发展。 所谓总线，就是传送信息的公共通路，它是计算机和测控系统的重要组成部 分。总线的性能对计算机或者测控系统的性能具有举足轻重的作用。 总线的种类很多。按照连接方式可以分为并行和串行总线；按照应用场合分 类可以分为芯片总线( 如i e e e 4 8 8 、，2 c 、s p i 等) 、机箱总线( 如s t d 、c a m a c 、 f a s t b u s 、i s a 、c o m p a c t p c i 、v x i 等1 、设备总线( 如g p i b 、s c s i 、m x i 、r s 2 3 2 、 r s 4 8 5 、u s b 、f i r e w i r e 等) 、现场总线( f f 、p r o f i b u s 、c a n 、l o n w o r k s 、w o r l d f i p 等) 。 随着过程控制技术、自动化仪表技术和计算机网络技术的成熟和发展，控制 领域又发生了一次技术变革。这次变革使传统的控制系统( 如集散控制系统) 无 论在结构上还是在性能上都发生了巨大的飞跃这次变革的基础就是现场总线技 术的产生。现场总线是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、 多节点通信网络，它也被称为现场底层设备控制网络( i n f i 认n e t ) 。8 0 年代以来， 各种现场总线技术开始出现，人们要求对传统模拟仪表和控制系统的变革的呼声 也越来越高，从而使现场总线成为一次世界性的技术变革浪潮。美国仪表协会( i s a ) 于1 9 8 4 年开始制订现场总线标准，在欧洲有德国的p r o f i b u s 和法国的f i p 等。 各种现场总线标准陆续形成，其中主要的有：基金会现场总线f f ( f o u n d a t i o n f i e l d b u s ) 、控制局域网络c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 、局部操作网络l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ) 、过程现场总线p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s ) 和 h a r t 协议( 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 ) 等。 现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自具有了 数字计算和数字通讯能力。采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测 量控制仪表连接成网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微 机化测量控制设备之间及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息 交换，形成适应于各种实际需要的自动控制系统。 现场总线系统打破了传统控制系统采用的按照控制回路的要求，设备一对一 的分别进行连线的结构形式。把原先d c s ( d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ) 系统中处于控 制室的控制模块、各输入输出模块放入现场设备，加上现场设备具有通信能力， 因而控制系统功能能够不依赖控制室中的计算机或控制仪表，直接在现场完成， c a n 总线及其在雷达系统中的应用 实现了彻底的分散控制。 现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。它把 作为网络节点的智能设备连接成自动化网络系统，实现基础控制、补偿计算、参 数修改、报警、显示、监控、优化的综合自动化功能，是一项以智能传感器、控 制、计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术。 综上所述，我们在这个具体的工程中试着引入现场总线，达到改善雷达信号 处理机的性能、提高其稳定性的目的。 1 2 国内外发展状况 对于现场总线，国外现在正在广泛使用，因为使用现场总线技术不但大大提 高了通信能力和系统运行的可靠性，而且大大节省了系统安装时的布线费用和硬 件费用，并更加容易对系统进行管理和维护。这一技术代表了自动化的发展方向， 是工业现场级设备通信的一场数字化革命。现场总线技术起源于欧洲，目前以欧、 美、日地区最为发达。由于这是一项带有革命性的、领导今后各领域自动化潮流 的技术，各国、各公司都投入了大量的人力、财力，在市场上展开了激烈的竞争， 同时，也使得现场总线在国外飞速发展。 但中国本身的总线技术却处于相对落后的局面，我们作为一个科技工作者， 应该把握时机，尽量的把这种先进的总线技术和实际的工程项目相结合，引导这 项先进的技术和实际的工程相结合。推动现场总线技术在国内迅速的发展。 1 3 本文的主要工作 本论文是基于一个实际工程中使用的具体总线系统提出来的。它用于雷达信 号处理机的总线互连系统，使得远程可以准确、实时的控制，修改雷达信号处理 机的各项工作参数。结合雷达信号处理系统模块化发展的趋势，目的是引入现场 总线来构成雷达信号处理机的模块互连总线系统，作为一个工程项目，作者设计 开发了这个现场总线系统并且调试成功。 论文共分为四个部分，第一部分概括介绍了总线系统的发展，第二部分着重 介绍了现场总线。从而引出现场总线中的典型代表：c a n ( 控制器局域网) 总线，第 三部分介绍了c a n 总线的硬件组成，而在第四部分介绍了两种c a n 总线的组成 方法：8 9 c 5 2 和s j a l 0 0 0 组成的c a n 系统以及d s p 和s j a l 0 0 0 组成的c a n 总线 系统。对于前者，给出详细的硬件、软件设计和仿真的结果。 第二章总线技术概论 第二章总线技术概论 本章将对总线的发展概况进行讨论，并将对几种总线的形式进行比较，最后 重点讨论以c a n 总线为代表的现场总线。 2 1 总线的发展与比较 随着计算机及其在各个领域内的应用，计算机总线也得到了相应的发展，我 们所关注的是测控领域内的总线的发展。从互连的角度，测控总线有两大类，即 并行总线和串行总线。 在各种集中式的测控系统中，除了计算机以及各种测控模块地板采用并行总 线外，计算机和测控机箱也常采用并行总线。常用的底板并行总线有：s t d 总线、 c a m a c 总线、i s a 总线、p c i 总线、v x i 总线、c o m p a e t p c i 总线、v x i 总线等。 其中s t d 总线和c a m a c 总线基本上已经被淘汰；而i s a 总线作为p c 机总线也 被p c i 总线所代替：后面的三种总线在测控系统领域内被广泛采用，c o m p a c t p c i 总线和v x i 总线代表着测控系统当前发展的水平。常用的并行互连总线有i e e e 4 8 8 总线、s c s i 总线和m x i 总线等，其中i e e e 4 8 8 总线作为传统的标准并行总线还 在仪器、仪表以及测控领域内被广泛的采用，并将在一些低速系统中长时间的使 用，在高速系统中，它将被s c s i 总线所代替；而m x i 总线作为美国n i ( n a t i o n a l i n s t r u m e n t ) 公司推出的3 2 位高速并行互连总线，将成为v x i 总线测控机箱与计算 机互连的标准总线。当今，c p c i 总线和v m e 总线也是并行总线发展中的一个新 的亮点。 串行总线通常是按照串行方式来传送数据的通路，是总线发展的一个方向。 最早的串行总线是r s - - 2 3 2 总线：为了改进r s - - 2 3 2 总线通信距离短，速率低等 缺点，电子工业协会推出了一种平衡通信接口r s - - 4 2 2 ，之后又发展了目前正在 被广泛使用的t i a e i a 。4 8 5 a ( 即r s - - 4 8 5 ) 标准；9 0 年代后。串行总线在数据传输 方面取得了突破性的发展，最为突出的是u s b ( u n i v e r s a l s e r i a l b u s ) 和 i e e e l 3 9 4 ( f i r e w i r e 俗称火线) 总线，其中f i r e w i r e 的传输速率目前高达 8 0 0 m b i 她3 2 g b i t s ，这已经超过了很多的并行总线。另外的一些芯片问的串行互 连总线如：，2 c 、s p i 总线等也以其独特的灵活性正在赢得人们的广泛关注。 并行总线与串行总线各有特点及其应用范围，表2 1 是并行总线与串行总线的 比较： c a n 总线及其在雷达系统中的应用 矛 内r 、 并行总线串行总线 数据传输容量大小 数据传输速度高低 传输距离近迈 硬件的复杂程度大极小 可靠性一般较高 可扩展性差好 一 系统组建成本 局低 表2i 从比较的结果可以看出，在对传输容量和传输速度要求高，并且对传输距离 要求较低的场合，应采用并行总线。由于具有上表中的一些优点，因而在其它能 采用串行总线的场合则尽量采用串行总线来代替并行总线。从发展的趋势来看， 一方面模块化将成为系统发展的方向，大部分信息由模块自身处理，这在一定程 度上减少了模块问的数据通信量；另一方面，目前串行通信的速率已经比较高， 完全可以满足大部分测控场合的应用，所以串行总线通信是将来测控领域发展的 方向之一。 现场总线( f i e l db u s ) 是总线在测控领域的新发展，大部分现场总线都是串行总 线，但是与前面所讲的串行总线不同，它们主要是针对现场测控而设计的，是一 种全新概念的总线形式，为此，我们用下面一节的内容对现场总线内容加以叙述。 2 2 现场总线及全分布控制系统 测控系统的发展经过了气动模拟系统、电动单元系统、d c s 系统和现场总线 系统几个时期，各个时期测控能力的发展示意图如图2 1 所示 就目前来说。d c s ( d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ) 经过了大约四代的发展，已成为 一种成熟的工业测控系统，目前它正如日中天，被广泛的使用在我国各行各业的 大中小项目中。但目前的d c s 系统仍能有许多问题没有解决。传统的d c s 的现场 控制及设备执行直接树枝控制( d d c ) 功能，其主控制器( c p u ) 与i 0 模板之间依靠 并行总线连接，而且i o 模板上均无智能处理，这种结构最大的缺点在于系统配置 不灵活。在一台现场控制站中，检测点数只能是在一个较小的范围内改变，点数 较少，系统很不经济；而当点数较多时，又会受并行总线不易扩充和c p u 处理能 力有限的限制。而且由于并行总线的紧祸合作用，使得各个模块之间的影晌相当 大，一旦某个模块出现异常，往往连带其它模板也出现异常。为了避免这种情况 第二章总线技术概论 发生，系统要求对现场信号采用严格的隔离措拖，这样，系统的成本相当高。为 了降低成本而简化隔离措施，所带来的后果则是系统的不可靠性。另外，并行总 线使得系统实现冗余和带电插拔模板的功能非常困难。因此，传统的 d c s ( d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ) 在实现冗余和带电插拔模板的功能时，往往采用由 人工进行干预或操作的半自动化方式。 5 0 年代 1 9 6 01 9 8 01 9 9 8 图2 1 各阶段测试能力示意图 随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的急剧降低，计算机与计算机 网络系统得到了迅速的发展，而处于生产过程底层的测控自动化系统，由于采用 一对一连线，用电压和电流的模拟信号进行测量控制，或采用自封闭式的集散系 统，因而难以实现设备之间的信息交换，使得自动化系统成为“信息孤岛”。要实 现系统综合自动化，就必须设计出适合于工业现场环境运行的、性能可靠、造价 低廉的通信系统，形成底层测控网，完成现场自动化设备之间的多点数字通讯， 实现底层设备之间以及现场与外界的信息交换。现场总线( f i e l db u s ) 就是在这种实 际需要的驱动系统中应运而生的。 现场总线导致了传统控制结构的变革，形成了新型的网络集成式分布控制系 统一现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。这是继基地式气动仪表控制 系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散式控制系 统d c s 后的新一代控制系统，它是以智能传感器、控制计算机、网络为主要内容 的综合技术。 现场总线具有系统的开放性、互操作性与互用性、现场设备的智能化与功能 自治性、系统结构的高度分散性、对现场环境的适应性等技术特点，出于这些特 点，特别是现场总线的系统结构的简化，使得控制系统从设计、安装到生产运行 c a n 总线及其在雷达系统中的应用 6 及其维护，都体现出优越性。具体的优点包括：节省硬件数量与投资、节省安装 费用、节省维护开销、用户具有高度的系统集成主动权、提高了系统的准确性与 可靠性。研究表明，现场总线代替d c s 可以在电缆配线、安装、操作、维护等方 面节约6 6 的费用 现场总线有如此的优越性，得益于世界各大知名公司技术支持，8 0 年代以来， s i e m e n c e 、p h i l p i s 、e c h e l o n 、m o t o r o l a 、f i s h e r - - r o s e m o u n t 、f o x b o r o 、i n t e l 等先 后推出了多种工业现场总线规范，其中比较典型的总线有基金会现场总线f f 、 p r o f i b u s 、c a n 、l o n w o r k s 、w o r l f i p 等。表2 2 是对几种主要总线的性能比较。 t 芝 性 c a nf fp r o f i b u sl o n w o r k sw o r d f i p 应用对象离散控制所有方面过程控制所有方面过程控制 o s i 层次 1 、2 、71 、2 、71 、2 、71 7l 、2 、7 系统类型总线总线总线网络总线 介质访问c s m a c d主从、令牌主从、令牌c s m a c d主从、令 牌 错误校正c r cc r cc r cc r cc r c 通信介质双绞线、光双绞线、光双绞线、光纤光纤、电源双绞线光 缆、同轴电缆纤、红外等等纤、同轴 等电缆等 寻址方式单点、多点、单点、多点、单点、多点、广播广播 广播广播广播 传输速率 5 k b p s - 1m b p s3 1 2 5 b p s 一9 6 k b p s 3 0 0 k b p s 2 5 m b p s 2 5 m b p s1 2 m b p s1 5 m b p s 传输距离1 0 k m5 0 0 m 1 0 0 m 2 7 k m1 0 0 m 5 k m 1 9 k ml o k m 网络供电不是不是是是是 优先级支持支持支持支持 支持 系统控制命令状态命令状态 命令状态命令状态 表2 2 儿种主要总线的性能比较 从表2 2 可以看出，各种现场总线都有自身的特点，其中的f f 、p f o f i b u s 既可 以用于底层监控又可以用于工厂的车间管理层，它们的协议都比较完善也较为复 杂，作为用户只能通过购买具有这种协议的产品才能组成符合自己要求的系统， 如果遇到一些特殊的要求( 比如受到安装尺寸的限制或者没有现成的模块1 ，往往会 给用户带来一些麻烦。而其中的c a n 总线较为简单、灵活，在某些情况下c a n 总线可能是比较理想的选择。在后面的章节中我们将重点讨论有关c a n 总线的规 第二章总线技术概论 范，并就c a n 总线在雷达信号处理机的应用进行深入的研究。 2 3 现场总线的发展及主要特点 前面我们只是简单的提到了现场总线，对于现场总线的概念我们可能还不太 熟悉。所以在介绍现场总线中的杰出代表之一c a n 总线之前，我们先介绍有关 现场总线的一些基本概念。 2 3 1 现场总线产生背景及其发展 在计算机数据传输领域内，长期以来使用r s 2 3 2 和c c i t l v 2 4 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，在复杂的或者大规模的应用( 如工 业现场或生产自动化领域) 中则需采用传统的星型拓扑结构，那么安装成本和介质 造价都将非常高昂；采用流行的l a n 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l a n 介质及相关硬件和软件又使其系统的造价与星型系 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，现场总线( f i e l db u s ) 就是在这种背景下产生的。 f i e l db u s 的先驱可谓是h o n e y w e l l 公司在1 9 8 3 年推出的数字信号4 m a 2 0 m a 输出的差分信号驱动器，它在输出的4 m a 2 0 m a 直流信号上叠加了数字信号。从 而使现场装置与控制室控制装置之问的连接由模拟信号过渡到了数字信号。在此 基础上，美国r o s e m o u n t 公司配合使用了它自己的h a r t 数字通信协议。到了1 9 8 7 年，美国f o x b o r o 公司发表了i a 智能式自动控制系统，系统中使用了全数字通信。 f i e l db u s 网络体系结构及标准的研究和制定始于1 9 8 5 年。在m o n t r e a l 的i e c 技术委员会t c 6 5 c 会议上决定由p r o w a yw o r k i n gg r o u p ( i e l t c 6 5 cw g 6 ) z j 、组负 责此项工作。该组在1 9 8 6 年相1 9 8 7 年公布了一套f i e l db u s 的功能需求。在此期 间其他些国际标准化机构或公司也开始了这项工作其中有著名的i s a ( 美国仪 器协会) 和i e e e p l l 8 。表2 - 3 列出了这三个组织对f i e l db u s 提出的需求指标。 2 3 2 现场总线的特点 选择何种网络形式一完全型还是简化型网络结构，是在逐步形成现场总线概 念的过程中需要考虑的一个最重要问题。若选择完全型网络结构应完全参照i s o 的七层开放系统接口，即o s i 协议所规定的体系结构。与此相反，若采用简化型 网络结构实际需要考虑如下几个问题：是否与i s o 所规定的体系结构完全一致? 是 否需要实现i s o 所规定的全部功能以及采用那样复杂的协议? 如何实现现场总线 网络与其它网络的相互连接? c a n 总线及其在雷达系统中的应用 指标 1 e e e p l l gl e ct c 6 5l s a s p 5 0 拓扑多点式多点式单点式 传输介质取绞线、光纤、电缆双绞线、光纤双绞线、光纤 设备数 2 5 5 3 03 2 被联设备联机地址、可移动联机、可移动联机、可移动 可靠性 差错校验差错校验差错校验 总线冗余支持支持 支持 总线长度( m ) 2 0 0 0 5 0 0 0 t 2 = 0 - - r 2 = 0 ( t i = i 不变) ，中继器右 端为显性，此时r 1 = 0 、y l = 0 、r 2 = 0 、t 2 = o ：当左端由显性变成隐性时，r l = l - - r 2 = i ，中继器的右端也变为隐性，实现了信息从左到右的传送，因为中继 器的结构是对称的，同样也可以实现信息从右到左的传输。 但是值得注意的是，在上述的分析中没有考虑到延时的问题，一般反向器的 延时小于8 2 c 2 5 0 上由t x d 变化到引起r x d 变化的延时，在显性变隐性时就会出 现显性到隐性边缘不稳定的现象，甚至出现从隐性到显性的短暂变化，这种现象 与总线的尖峰脉冲及不同节点控制器振荡频率的轻微变化引起的相位差相似，可 以通过对采样点数即采样位置的设定来加以排除。 另外，还可以用微控制器结合c a n 控制器及c a n 驱动器组成智能型的中继 器。 3 2 3c a n 通用节点 通过上面对c a n 接口的研究，我们可以进一步对通用型的c a n 节点加以研 究，下面给出一个通用c a n 模块的结构。 通用型的c a n 模块一般由微处理器、c a n 控制器，驱动器、r a m 、r o m 、 a d 、d a 及i o 等接口组成，这里有外扩的r o m 、r a m 、a d 及d a 可能是集 成在微控制器中。另外其中的看门狗及e e p r o m 有着重要的作用，看门狗可以防 止因程序的“跑飞”而引起的故障，e e p r o m 可以存储一些掉电前的需要保护的 重要参数，而且对于c a n 节点，还可以保存一些节点的配置参数，包括屏蔽字和 验收码，报文定义等，目前集看门狗复位电路与e e p r o m 于一体的器件有x 5 0 4 5 等。一个典型的c a n 通用节点的结构图如图3 6 所示。 第三章c a n 总线系统的硬件设计 图3 6c a n 通用模块结构图 除了用微控制器来组成c a n 结点外，采用带有c a n 协议的i o 模块( 如果 8 2 c 1 5 0 ) 也能构成c a n 节点。 3 3 硬件设计的几个关键问题 1 终端电阻，一般选取1 2 0 q 的电阻，终端电阻起着反射信号、匹配整个系统的 作用，如果设计漏掉，则可能整个系统无法正常工作： 2 控制器的t x d l 引脚悬空，r x d l 引脚的电平必须维持在0 5 v c c 上，否则， 将不能满足c a n 协议的要求，如果系统工作环境的干扰较小，而且传输的距 离较近，则可以如图3 3 直接将其与8 2 c 2 5 0 的。，端连接即可，而在长距离 或者有强干扰的环境中。该引脚的电位可以由分压电阻提供； 3 c a n 的b 引脚与地之间应该接入斜率电阻。在高速模式下，一般采用斜率控 制上升及下降的斜率取决与r 。的值倾斜电阻的取值在1 0 2 0 0 kq 较为理 想，在试验中，当采取r 。= 1 3 k 时。在1 2 5 k b p s 下，采用平行线可以传输1 0 0 0 米； 4 对于s j a l 0 0 0 ，其中中断信号i n t 为由高到低的跃变，选用不同的微控制器时， 一定要考虑其响应终端的形式： 5 在中继器的设计中，门电路的选择遵循门电路的延时，与t x d 变化到r x d 两 者延迟时间相当，而且原则上前者延时不能大于后者延时。 c a n 总线及其在雷达系统中的应用 第四章基于s j a l 0 0 0 的c a n 总线的实现的两种选择 对于每种c a n 系统的组成，都少不了一个核心的器件，那就是c a n 总线控 制器。报文的组成、接收、工作方式的定义等等一系列的c a n 动作，都是在c a n 控制器中完成的。在这里，我们先介绍一种c a n 总线控制器：s j a l 0 0 0 的构成。 4 1s j a l 0 0 0 器件简介 首先我们给出s j a l 0 0 0 的硬件结构框图，图4 1 为s j a l 0 0 0 的硬件结构图。 从图中我们可以看出它是由主控制器、接口管理逻辑、发送缓冲区，接收缓冲区 ( f i f o ) 、核心模块( 并串转换，报文合成、c r c 校验等等) 、收发器这几个部分组成。 ( 。a n 魑竣 s j 1 0 0 0 暇 1 a - - 刮燃_ = 。r( n k 卜 j i ：楼l i 制 诲删 梭，i j - i 氇 - _ 一 - 嚣 - 一 -逻轴 剁黛 ( c a n 2 i ：j m 嚣 一 - - _ 一 圈4 1s j a l 0 0 0 硬件结构图 s j a l 0 0 0 是一种独立c a n 控制器，它是p h i l i p s 公司的p c a 8 2 c 2 0 0c a n 控 制器的替代产品，s j a l 0 0 0 具有b a s i c c a n 和p e l i c a n 两种工作方式，p e l i c a n 工 作方式支持具有很多新特性的c a n2 0 b 协议。 s j a l 0 0 0 在软件和引脚上都是与它的前一款p c a 8 2 c 2 0 0 独立c a n 控制器兼 容的( s j a l 0 0 0 引脚功能如图4 2 所示) ，在此基础上增加了很多新的功能。为了 实现软件兼容，s j a l 0 0 0 采用了两种工作方式：b a s i c c a n 方式下的p c a 8 2 c 2 0 0 兼容方式，p e l i c a n 方式下的扩展特性方式工作方式。这两种工作方式是通过时 钟分频寄存器中的c a n 方式位来选择的，在器件上电复位时默认的工作方式是 b a s i c c a n 方式。b a s i c c a n 和p e l i c a n 方式的区别如下： p e l i c a n 方式下，s j a l 0 0 0 有一个重新设计的包含很多新功能的寄存器组， s j a l 0 0 0 包含p c a 8 2 c 2 0 0 中的所有位，同时增加了一些新的功能位，p e l i c a n 方 式支持c a n 2 0 b 协议规定的所有功能( 2 9 位的标识符) 。 s j a l 0 0 0 的主要新功能如下： 1 标准结构和扩展结构报文的接收和发送； 第四章基于s j a l 0 0 0 的c a n 总线的实现的两种选择 2 7 2 6 4 字节的接收f i f o ： 3 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； 4 可进行读写访问的错误计数器； 5 可编程的错误报警限制； 6 最近一次的错误代码寄存器： 7 每一个c a n 总线错误都可以产生错误中断； 8 具有丢失仲裁定位功能的丢失仲裁中断： 9 单发方式( 当发生错误和丢失仲裁时不重发) ： 1 0 只听方式( 监听c a n 总线，无应答，无错误标志) ： 1 1 支持热插拔( 无干扰软件驱动位速率检测) ： 1 2 硬件禁止c l k o u t 输出。 麓吁；引猫 聃能 a d 0 、a d 7：1 2 8 2 3 避囊羲劐复羽强缝 a l e3 a i ，e 蠡譬( i n t e i 百l ) 嫂a s 靛0 ( m o l t ) r o l a 戎) 硒4 琏穗a ，馘；毡铲建诖滴目s j 1 0 0 0 f r d) 曦# ；孳i 器| ! ；蠢辩i ( 1 l l e l 方式) j 曩e 睹i ；( m o l o r o l a a ) ，w r6 谥跨割嚣帱1 ；佛u ( i # l d 式) 或i 女j 臂v ( k t o m m l a 身式l s j a l 0 0 0 ，。乍辩扰敷绪嫩纷劐霸池孵 ，输，f i 信q ，蘸仁0 阳内灞攥簿嚣野。一i 罐彬 c l 。k o u t 疑嚣裂煮。町壤 ；禁t ! 媛。j i 鞫 v s s is逻鞴! 赶路迪 x j a ，i q 援稿放大紧鹚入，卦匀：撂麓被j 、嚣孵i ；纤北一j l 嚣赣入 x t a l 21 0 援灞媛夫黔输鱼，健弼掌 瓤蒙簿翳v 耐就0 瓣妊颡外蠕 m e| l 0 式建弹铃a 臻li 二h l i d 矗式- 拈m o l o m l aa 式 v d d 3l ! 谊| l ；攀嘲嚣5 v l b 辣 t x o1 3 ；l 竣烈瓤橱嚣0 譬锈搏总线孵输i i 菇 t x ii j ：铃i i 囊翘嚣1 警耪霉总线瓣赫m 遘 v s s l5 镝：i ；驰旃器龙 j i n t1 6- ：蕺臻粥凌- j | j 。睦强拧麓蒸鬟袋9 l 断傣 ；r s tl ? 砭妒凌久鲻j | i 。l 掰f l 础c a n 援ii 【憾 u 甲“ 1 2 ) v d d 21 8 穗入圪较嚣s vi h 澍 ：物总绥午s j a l 0 0 0 t 自 悒较嚣陶袖凡襞“# a 1 f j ! f 嚷举世】博 0 式；r r x o 。r x i1 9 ! o s i a l 0 0 0 ，。 r x o 函 r x 悻，战f ! 融hl i 警，f f ；l | ，i 辁? ；1 1 t + v s s ! j 询丸l 芑铰嚣建 v d d l 逻： k 缔5 vi i 海 图4 2s j a l 0 0 0 引脚表描述 在c a n 总线节点的软件设计中，存在几个难点，其中初始化节点是个很重要 的环节，因为s j a l 0 0 0 只有在复位模式才能设置c a n 节点的工作方式、传输的快 慢、以及接收屏蔽寄存器、接收代码寄存器、滤波方式以及是否允许分频输出、 设定位定时和报文滤波等等。对于设置其它工作方式都比较容易，只要对照参考 c a n 总线及其在雷达系统中的应用 资料【7 】_ 一设定就可以。而位定时和报文滤波是两个难点和关键问题。在c a n 控 制器中提供两个总线定时寄存器，其中总线定时寄存器o ( b t r o ) 只决定波特率分频 ( b r p ) 和同步采样宽度( s j w ) 。总线定时寄存器i ( b t r l ) 可以决定位周期宽度，采 样点位置( 对于在上面提到的中继器设计时遇到的边缘振荡问题，如果设置恰当的 采样点就不会影响通信) 和每个采样点进行采样的次数相关的计算如下： r m l = t s c ，( 8 t s e g l 3 + 4 t s e g l 2 + 2 t s e g l 1 + t s e g l 0 + 1 ) ( 4 1 ) f m 2 = t w ( 4 t s e g 2 2 + 2 t s e g 2 1 + t s e g 2 0 + 1 ) ( 4 - - 2 ) 其中的t s e gl 和t s e g 2 可以确定每位的时钟周期数和采样点的位置，如图 4 3 所示： - j 。一l 姒妒b r p ) n 几几几几几几几nn 几n n 几几几几几 恼忠三一怕1 斟一鸭蝴一 1 耻，c a q 口时阍 ， s y n 。g ji it s e - g 1i t s e g 2 警掰t s p ，。 ， ， ， ff 。l 图4 3 位周期和采样点位置 系统时钟f 。按照如下的公式来计算： t s c l = 2 t c l k ( 3 2 b r p 5 + 1 6 b r p 4 + 8 b r p 3 + 4 b r p 2 + 2 b r p 1 + b r p 0 + 1 ) ( 4 - - 3 ) 其中r 。为控制器振荡器的时间周期。 由此移位的时间“和波特率就可以有如下的公式给出： t = ，+ f g 1 + r g 2 ( 4 4 ) 同步跳转宽度计算如下： r r ，= t s c ( 2 s j w ，1 + s e w 0 + 1 ) ( 4 5 ) 我们的工程要求2 0 m 晶振，要求传输的速率要达到5 0 0 k b p s ，则我们最后计算 的b t r o 为“9 4 h ”，设置同步时间为个t s c l ，采样开始位置t s e g i = 5 t s c l ， 每一位时间l o t s c l ( 5 0 k h z ) ，每位采样3 次，所以设定b t r l “0 b 4 h ”，这样我们就 设置好了这两个关键的寄存器。 报文滤波是另外一个关键问题，在验收滤波器的帮助下只有当接收信息中的 识别位和验收滤波器预定义的值相等时，c a n 控制器才允许将已接收信息存入 第四章基于s j a l 0 0 0 的c a n 总线的实现的两种选择 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 ) 组成，在 这个两个寄存器中可以定义要接收的信息的位模式，在验收代码寄存器中定义相 应的验收代码，验收屏蔽寄存器允许定义某些位为不影响，即可为任意值。 有两种不同的过滤模式可在模式寄存器中选择m o d 3 ：( 1 ) 单滤波器模式a f m 位是1 ：( 2 ) a 滤波器模式a f m 位是0 。有关a f m 的详细资料请看参考文献【7 】。 1 单滤波器配置 这种滤波器配置可以定义一个4 字节的长滤波器。滤波器字节和信息字节之 间位的对应关系取决于当前接收帧格式。 标准帧：如果接收的是标准帧格式的信息，在验收滤波中只使用前两个数据 字节来存放包括r t r 位的完整的识别码。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字节，信息也会被 接收的。对于一个成功接收的信息，所有单个位在比较后都必须发出接收信号。 注意，a m r l 和a c r l 的低四位是不用的。为了和将来的产品兼容。这些位 可通过设置a m r l 3 、a m r l 2 、a m r l 4 和a m r l 0 为1 而定为“不影响”。图 4 4 是接收标准结构信息时的单个滤波器的配置，扩展帧的配置方法参见参考资料 7 】。 图4 4 接收标准结构信息时的单个滤波器配置a 现在我们给出一个实例：对于某一位的滤波逻辑如图4 5 所示。在标准的格式 中，i d 2 i d o 已经被屏蔽，因此报文的滤波可以做到一个节点通过滤波而接收 某一区间( 如例4 1 ) 或者几个区间的报文( 如例4 2 ) 。 i 总竹 艟批f 蜗缱 崦_ t 斛蘸但 图4 5 接收标准结构信息时的单个滤波器配置b c r - 辘忾f e 州前圩器 m r t 骋牲埘戢焉秆端 i o 口i 0 1t 德_ 置 l o g i c0 = f 、摧唑 _ 盏卤篙卤 c a n 总线及其在雷达系统中的应用 例4 1 假设a m r = 0 0 0 0 0 0 0 0 bx 表示已被屏蔽 a c r l = 0 0 0 0 0 0 0 1 x x x报文区间为8 h 0 f h a c r 2 = 0 0 0 0 0 0 1 0 x x x报文区间为l o h 1 7 h a c r 3 = 0 0 0 0 0 0 1 i x x x报文区间为1 8 h l f h 显然对于没有公共报文的系统，采用这种方法比较适合，而且经过适当的设 置，可以扩大或者缩小报文的区间，但是这样也有一个缺陷，就是总是有一个节 点比另外一个节点的优先级低，一个节点的有几个滤波区间可以解决这个问题。 例4 2 假设a m r = 0 0 0 0 0 0 1 0 0 b a c r = 0 0 0 0 0 0 0lx x x 这样i d 5 就被屏蔽，即无论i d 5 = 0 或者1 报文都可以被接收，于是报文区 间是 8 h f h 和 2 8 h 2 f h 两段。 对于公用信息不多，且没有较苛刻的时间要求( 两个节点在同一时刻接到报文) 的情况，可以采用把同样的数据按照不同的报文发送出去的方法。如果公共信息 较多，并且有发送公共信息的要求时，其滤波形式可以采用例4 3 的形式。 例4 3x 表示改为被屏蔽 i d l = 0 0 0 0 0 0 0 x x x x b报文区间 o o h 0 f h i d 2 = 0 0 0 0 0 0 x o x x x b报文区间 0 0 h 0 7 h 、 1 0 h 1 7 h i d 3 = 0 0 0 0 0 x 0 0 x x x b报文区间 0 0 h 0 f h 、 2 0 h 2 7 h 三个节点有一个公共的报文区间 0 0 h 0 7 h ，这样也有一个缺点，如果以此 例中的形式设置，对于较多节点时就难以合理的规划。为了加强报文的滤波，目 前采用了多种方式，其一就是采用了2 9 位的扩展报文i d 格式：另外一个就是采 用双滤波方式，s j a l 0 0 0 控制器就完全支持这种方式，其逻辑结构如图4 6 所示： f 毓舣w 龋倥 精箍嚣1 1 肾t 托i