（检测技术与自动化装置专业论文）canopen主栈及混合动力电动汽车canopen行规设计.pdf

摘要 一一一一i 一一一一一 i 曼曼曼曼 摘要 c a n 总线是一种具有很高实时性和可靠性的现场总线，自c a n 总线协议被 汽车工业提出，它已经广泛地受到了欢迎。但是，c a n 芯片只提供了开放系统 互连参考模型( 0 s i ) 中的物理层和链路层功能，为了以c a n 芯片为基础构成 完整的工业控制现场总线系统，必须制定相应的应用层协议，实现系统的组态、 设备互连和兼容功能。为此目的，在德国成立了“自动化c a n 用户和制定商协 会( c 认，c a ni i la u t o m a t i o n ) ，开始着手制定自动化c a n 的应用层协议 c a n o p e n 。目前c a n o p e n 协议已经被提交欧洲标准委员会讨论，作为一种新的 。工业现场总线标准。 本文首先详细剖析了c a n o p e n 协议，分析了c a n o p e n 的核心一对象字典、 各类通讯对象和标识符的分配；在此基础上，自主开发设计了基于 m c 9 s 1 2 x d p 5 1 2 和p c o s i i 操作系统的c a n o p e n 主节点系统，实现了操作系 统t t c o s i i 在m c 9 s 1 2 x d p 5 1 2 控制器上的移植，并在该平台上完成了系统多任 务的建立。之后，本文给出了m c 9 s 1 2 ) ( d p 5 1 2 底层驱动模块的编写、基于哈希， 表的c a n o p e n 对象字典的设计和c a n o p e n 主节点的结构分析。驱动模块的开 发为程序开发人员提供对硬件进行描述性操作的开发支撑库，使嵌入式系统应用 程序开发过程简单化，节省大量的时间。采用哈希表方式构建的对象字典具有可 动态更新、搜索效率高和存储空间利用率高等优点，对象字典的这种特性满足了 主节点系统需要快速查找、添加、删除对象字典对象的需求。本文最后阐述了混 合动力电动汽车c a n o p e n 行规的框架，给出了混合动力电动汽车的c a n o p e n 网络结构，分析了各e c u 之间数据的交互；重点描述了电池管理系统设备子协 议和a p u 控制器设备子协议；此外，还给出了a b s 、整车控制器、仪表：车门、 车灯和空调等设备的子协议。 关键词：c a n 总线；c a n o p e m 嵌入式系统；“c o s i i ；混合动力电动汽车； 设备行规 a b s t r a c t ! 。一一 _ ；二； i 曼! ! ! ! 曼曼 a b s t r a c t a sak i n do fr e l i a b l ea n dr e a l t i m ef i e l d b u s ，c a nb u sh a sb e e nu s e df o ral o n g t i m e ，w h i c ha p p e a r si na u t o m o b i l e ，m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g a n dm a n yo t h e r a p p l i c a t i o nf e l d s c a nb u sc h i p s ，h o w e v e r , o n l yp r o v i d e 晰t l lt h ef u n c t i o no fc a n p h y s i c a ll a y e ra n dc a nd a t a l i n k l a y e ro fo s ic o m m u n i c a t i o nm o d e l t h e c o r r e s p o n d i n ga p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o lh a st ob em a d ei no r d e rt oc o n s t i t u t et h e c o m p l e t ei n d u s t r i a lf i e l db u ss y s t e m sb a s e do nc a nc h i p s w i t ht h i sp u r p o s e ， c i a ( c a ni na u t o m a t i o n ) e s t a b l i s h e dt h eh i g h e rl a y e rp r o t o c o lc a n o p e n ，w h i c hh a s b e e np u tf o r w a r dt oe u r o p es t a n d a r dc o m m i t t e ea sak i n do fn e wi n d u s t r i a lf i e l db u s s t a n d a r d t h i st h e s i sf i r s t l ya n a l y z e dt h ep r o t o c o lo fc a n o p e ni nd e t a i l s ，i n c l u d i n gt h e c o r eo fc a n o p e n o d ，a l lk i n d so f c o m m u n i c a t i o no b j e c t s ，t h ea l l o c a t i o no fc o b i d t h e n ，i tp r e s e n t e dd e s i g n p l a no fc a n o p e nm a s t e rs y s t e mb a s e d o nt h e m c 9 s12 x d p 512a n do p e r a t i o ns y s t e mi x c o s i i w er e a l i z e do p e r a t i o ns y s t e m i 且c o s i i ，t r a n s p l a n t i n go nm c 9 s 12 x d p 512 ，a n da c c o m p l i s hm u l t i t a s ke s t a b l i s h i n g o ne m b e d d e ds y s t e m a f t e r w a r d ，w em a d eu s eo fh a s ht a b l et or e a l i z et h ed e s i g no f o d ，d e v e l o p e dt h e d r i v e ro fm c 9 s12 x d p 512 ，a n da n a l y z e dt h es t r u c t u r eo f c a n o p e nm a s t e r t h ed e v e l o p m e n to fd r i v e rp r o v i d e st h ep r o g r a m m e rw i t hs u p p o r t o ft h eh a r d w a r e d e s c r i p t i o no p e r a t i o n t h i ss i m p l i f y t h ed e v e l o p m e n to ft h e a p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n tp r o c e s sa n ds a v i n gal o to ft i m e t h eo b j e c td i c t i o n a r y d e s i g n e d 、析t 1 1 t h ew a yo fh a s ht a b l ec a nu p d a t ed y n a m i c a l l ya n ds e a r c he f f i c i e n t l y i na d d i t i o n , i ti sm o r ee f f i c i e n tt om a ku s eo fm e m o r ys p a c e t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h eo b j e c td i c t i o n a r ym e e tt h en e e d so fr a p i d l yf i n d i n g ，a d d i n g ，a n dd e l e t i n ge n t r y a t l a s t ，w em a d es o m es o m ea t t e m p tt oe s t a b l i s hd e v i c ep r o f i l eo fh y b r i de l e c t r i c v e h i c l e ，e m p h a s i z e do na n a l y z i n ga n dr e s e a r c h i n gd a t ai n t e r a c t i v ea m o n gt h ee c u a n dt h ed e v i c ep r o f i l eo fb a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e ma n da p uc o n t r o l l e r i n a d d i t i o n ，w eg a v et h ed e v i c e sp r o f i l eo fa b s ，v e h i c l ec o n t r o l l e r ，i n s t r u m e n t ，d o o r ， l i g h t i n ga n da i rc o n d i t i o n i n gf o rh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e k e y w o r d s ：c a nb u s ，c a n o p e n ，e m b e d d e ds y s t e m ，l x c o s i i ，h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ， d e v i c ep r o f i l e i 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。 躲，习寸垮嗍 关于论文使用授权的说明 矽璐r 日 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) 躲闩寸吟翩躲彳 眺 d 3 鑫冬s 只 第l 章绪论 曼曼! 曼曼! ! 皇曼! 曼曼! 曼ii 一。m mi ! 曼曼! 曼! ! ! 曼! 鼍曼曼1 1 1 课题背景 第1 章绪论 汽车越来越多地采用电子控制装置，从发动机控制到传动系统控制，从行驶、 制动、转向系统控制到安全保证系统及仪表报警系统，从电源管理到为提高舒适 性而做的各种努力，使汽车电子系统形成一个复杂的大系统，而且这一系统都集 中在驾驶室控制。另外，随着近年来i t s 的发展，以3 g ( g p s 、g i s 、g s m ) 为 代表的新型电子通信产品的出现，对汽车的综合布线和信息的共享交换提出了更 高的要求。 从布线角度分析，传统的电气系统大多采用点对点的单一通信方式，相互之 间少有联系，这样必然需要庞大的布线系统。据统计，一辆车采用传统布线方法 的高档汽车中，其导线长度可达2 0 0 0 m ，电气节点达1 5 0 0 个，而且根据统计， 该数字大约每1 0 年增长1 倍，从而加剧了粗大的线束与汽车有限的可用空间之 间的矛盾。无论从材料成本还是工作效率看，传统布线方法都将不能适应汽车的 发展。 从信息共享角度分析，现代典型的控制单元有电控燃油喷射系统、电控传动 系统、防抱死制动系统( a b s ) 、防滑控制系统( a s r ) 、废气再循环控制、巡航 系统和空调系统。为了满足各子系统得实时性要求，有必要对汽车数据实行共享， 如发动机转速、车轮转速、油门踏板位置等，但每个控制单元对实时性的要求是 因数据的更新速率和控制周期不同而不同的。这就要求其数据交换网是基于优先 权竞争的模式，且本身有较高的通信速率。 总之，在现代汽车中这些数目庞大电子控制单元( e c u ) 需监测及彼此交换 大量数据，然而，采用硬接信号线的传输方式，不但繁琐、昂贵，而且可靠性差、 维护成本高。因此，采用网络来连接各种电子系统用以通信是现代汽车发展的必 然要求。这种网络的好处是显而易见的；如提高可靠性、方便错误检测、简化维 修过程减轻重量( 改善性能和减少油耗) 等。另外，汽车内的环境无疑是“险恶 的 ：极高的电气噪声、机械应力、温度、湿度和易燃性等等。更严重的是，网 络连接上的任何差错都可能造成严重后果，甚至危机生命。这方面的后果往往比 其他任何网络系统都要严重的多。因此对网络的性能，如安全性、可靠性、实时 性、抗干扰能力有非常高的要求。c a n 总线正是为满足这些要求而设计的【l 】。 由于c a n 总线具有很高的实时性能，因此自c a n 总线协议被汽车工业提 出以来其应用范围目前已不再局限于汽车行业，而扩展到了机械工业、纺织机械、 农用机械、机器人、数控机床、医疗器械、家用电器及传感器等领域发展。c a n 北京】业大学工学硕士学位论文 已经形成国际标准，并已经被公认为几种最有前途的现场总线之一【2 1 。c a n 是 底层协议，只提供了开放系统互联参考模型( o s i ) 中的物理层和链路层功能， 一般用户必须直接拥驱动程序操作链路层，不能直接满足工业控制网络的组态和 产品互连要求。为了一c a n 芯片为基础构成完整的工业控制现场总线系统，必 须制定相应的应用层协议，实现系统的组态、设备互连和兼容功能。为此1 9 9 2 年在德国成立了“自动化c a n 用户和制造商协会”c i a ( c a ni n a u t o m a t i o n ) ， 开始着手制定自动化c a n 的应用层协议c a n o p e n 。此后，协会开发出一系列 c a n o p e n 产品，在机械制造、铁路、车辆、船舶、制药、食品加工等领域获得 大量应用。c a n o p e n 协议已经被提交欧洲标准委员会讨论，作为一种新的工业 现场总线标准e n 5 0 3 2 5 - 4 1 3 1 。 一 1 2 国内外研究现状 1 2 1c a n 总线 c a n ，全称为“c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ，即控制器局域网，是国际上应用 最广泛的现场总线之一。局域网现代汽车应用环境对汽车中各电子单元之间的互 联提出了极为严格的要求这启发了r o b e r tb o s c h 公司于1 9 8 2 年开始制定“控制 器局域网络( c a n ) ”标准。1 9 9 3 年，c a n 已成为国际标准i s 0 1 1 8 9 8 ( 高速应 用) 和i s o l l 5 1 9 ( 低速应用) 。 c a n 是一种多主方式的串行通讯总线，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。c a n 总线通信速率高达 1 m b p s 4 0 m 。直接传输距离最远可达1 0 k m 5 k b p s ，可挂接设备数最多达1 1 0 个。 c a n 的主要特点如下【l 】【2 1 1 4 1 5 】： ， ( 1 ) c a n 总线为多主节点总线，各节点均可在任意时刻主动向网络上的其他 节点发送信息，不分主从，通信灵活； ( 2 ) c a n 总线采用独特的非破坏性总线仲裁技术，优先极高的节点优先传送 数据，能满足实时性要求： ( 3 ) c a n 总线具有点对点、以点对多点及全局广播传送数据的功能； ( 4 ) c a n 总线上每侦字节数最多8 个，并有c r c 及其他校验措施，数据出 错率极低，一旦某节点出现严重错误，可自动脱离总线，总线上的其它操作不受 影响； ( 5 ) c a n 总线只有两根线，系统扩充时，可直接将新节点挂在总线上即可， 因此走线少，系统扩充容易，改型灵活； ( 6 ) c a n 总线传输速度快，在传输距离小于4 0 m 时，最大传输速率可达 第1 章绪论 1 m b p s ； ( 7 ) c a n 总线上的节点数主要取决于总线驱动电路，在c a n 2 0 b 标准中， 其报文标识符几乎不受限制。 总之，c a n 总线具有实时性强、可靠性高、通信速率快、结构简单、互操 作性好、总线协议具有完善的错误处理机制、灵活性高和价格低廉等特点。 尽管当初研究c a n 的起点是一个应用于客车系统，但c a n 的第一个市场 应用却来自于其它领域。特别是在北欧，c a n 早已得到非常普遍的应用。在芬 兰，电梯厂商k o n e 使用c a n 总线。瑞典的工程负责人k v a s e r 建议将c a n 应 用到一些纺织机械制造和它们的供给厂商，作为内部的通信协议。在这种联系中， 由l a r s b e m of r e d r i k s s o n 牵头，这些公司成立了“c a n 纺织用户集团。在1 9 8 9 年之前，他们设计出通信法则，这有助于在2 0 世纪9 0 年代形成的“c a n k i n g d o m 的发展环境。尽管c a n k i n g d o m 并不是一种基于o s i 参考模型的应 用层，但它被认为是基于c a n 的高层协议的先驱。在荷兰，p h i l i p s 医药系统加 入工业c a n 的用户行列，他们决定把c a n 用做x 射线机器内部的网络【2 】【6 1 。 从1 9 9 2 年开始，m e r e e d e s b e n z 在他们的高级轿车中使用c a n 。作为第一 步，用做发动机管理的各电子控制单元是通过c a n 连接起来的。第二步，是车 体需要的电子控制器件。两个在物理上分离的c a n 总线系统在运行，它们之间 是通过网关连接的。其它汽车制造厂商也学习同行的范例，现在一般在他们的客 车中也运行两套c a n 网络。继v o l v o ，s a a b ，v o l k s w a g e n 和b m w 之后，现在 r e n a u l t 和f i a t 公司也在他们的车辆产品中使用c a n 【2 】6 】。 1 2 2c a n o p e n 协议 c a n 协议是一个非常简单的协议。它只定义了物理层和数据链路层，本身 并不完整，有些复杂的应用问题需要一个更高层次的协议一应用层协议来实现。 比如，c a n 数据帧一次最多只能传送8 个字节；c a n 只提供了非确认的数据传 输服务等。然而，c a n 的技术特点允许各厂商在c a n 协议的基础上自行开发 自己的高层应用协议，给用户提供一个面向应用的清晰接口。目前，许多厂商根 据自己的意图并结合其优势纷纷推出基于c a n 的总线产品，如d e v i c e n e t ( 设 备网) ，c a n o p e n ，c a nk i n g d o m ，s d s 等。它们都得到c 认( c a ni n a u t o m a t i o n ) 的支持，符合i s 0 11 8 9 标准，同时又各具特色。 c a n o p e n 协议是基于c a n 总线的高层协议。c a n o p e n 预研阶段是19 9 5 年 在以b o s c h 公司为首的团队带领下开发的，然后c a n o p e n 说明文档递交到c i a ( c a ni na u t o m a t i o n ) 国际用户及生产厂商组织，现在已经成为国际标准 c e n e l e ce n 5 0 3 2 5 - 4 7 j 瞵j 。c a n o p e n 甚至可以在具有低计算性能和存储能力的 北京工业大学工学硕士学位论文 设备中使用。c a n o p e n 应用层和通信行规( c i ad s 3 0 1 ) 和c i ad s p 3 0 2 既支持 对设备参数的直接存取，也支持对时间苛求的过程数据通信。在c a n o p e n 网络 中附加预定义对等通讯能力，所有的站点是对等的，数据交换可以直接由站( 设 备) 之间组织。c a n o p e n 支持的传输速率为2 0 k b p s ，1 2 5 k b p s ，5 0 0 k b p s 和1 m b p s 9 1 。 与其他现场总线协议相比，c a n o p e n 具有以下特点【1 0 】【l l 】【1 2 】： ( 1 ) c i a 是非赢利组织，c a n o p e n 是公共和开放的协议，不代表个别公司利 益；免费发布全部技术资料。例如从c i a 网站可以随时获得最新的c a n o p e n 协 议文本。 ( 2 ) 物理层采用c a n 芯片；由于其应用领域广泛、产量大，实际上已经成 为一种通用芯片，采购方便，不受他人限制； ( 3 ) 协议精炼、透明、便于理解；降低了驱动程序的开发难度； ( 4 ) c a n o p e n 的“o p e n ”以以下三种方式体现【l 习：第一，因为c a n o p e n 技 术是开放的，无需支付任何版权税；第二，为了保证网络能够正常通讯，只需保 证在网络上没有相同的i d 的设备即可；第三，c a n o p e n 可以很容易扩展以构成 特定的网络应用。只有- - 4 , 部分是必须选的，其余大量的函数功能都是可选的。 只需完成必要的函数以符合c a n o p e n 协议。系统设计人员可以从大量的函数功 能列表中选出符合要求的函数构建特定的应用。 c a n o p e n 应用层协议在国内外已经有很多方面的应用，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 协议已经成为装载机械和公共运输设备的协议 标准，同时也应用于嵌入式系统的控制。目前，国外已有许多大公司开发了 c a n o p e n 软件和硬件产品，比如：n o r t h h a m p t o n 公司的c a n o p e n 开发工具， d o w n e r sg r o v e 公司的c a n o p e n 控制模块，e l k h a r t 公司的c a n o p e n 开发工具软 件代码；还有一些公司开发了c a n o p e n 协议的组态软件和配套的硬件下载工具， 比如：m i c r o c o n t r o l 公司的u c a n o p e m e r 和p h i l i p s 公司的c a n o p e n i a d e v e l o p e r sk i t 1 4 1 。 。德国v e c t o ri n f o r m a t i k 公司是专门从事现场总线特别是c a n 总线的研究、 开发和应用的高科技公司，它在c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k s ( c a n ) 总线应用领域 内提供了一系列强有力的软硬件工具。v e c t o r 公司提供产品如表1 1 所示【1 5 】。 德国b e c k h o f f 公司提供p c 现场总线卡，如f c 5 1 0 1 ，f c 5 1 0 2 p c i c a n o p e n 。使用f c 5 1 0 1 和f c 5 1 0 2p c 插卡，可以将p c 连接到c a n o p e n 网 络。它们既可用作网络主节点，也可用作从节点。另外，还可发送或接收一般 c a n 报文，而不会干扰应用程序中的c a n 帧。该插卡可提供功能强大的协议 实现，以及诸多功能；c a n o p e n 总线耦合器，如b k 5 1 x 0 总线耦合器将c a n 总 线系统与电子端子排连接起来。电子端子排可用模块化方式扩展。一个节点包括 第1 章绪论 一个总线端子控制器、卜6 4 个端子模块和终端模块1 6 1 。 表1 1v e c t o r 公司产品 t a b l e l 1p r o d u c to fv e c t o r 产品描述 c a n a l y z e r v e c t o r s 头号总线开发和分析工具 c a n o e 并行工程的系统级总线开发工具 c a n a p e e c u 的c a n 总线标定测试工具 c a n s c o p e 进行c a n 总线物理特性测量的网络示波器 o s c a n 用于微控制器的多任务实时操作系统 s o u r c e c o d e各种应用协议的源代码 在我国c a n o p e n 的开发应用和研究还处于起步阶段，据了解在国内，从1 9 9 9 年中国单片机公共实验室( b o l ) 就开始了c a n o p e n 、s a e j l 9 3 9 的标准研究工作。 近几年，北京英贝多嵌入式网络技术有限公司、北京理工大学、天津大学等单位 也成功地开发出了基于c a n o p e n 的应用系统： ( 1 ) 英贝多公司在c a n b u s 总线方面具备丰富的经验，2 0 0 2 年在国内首先 提出汽车网络计算平台概念并开发具有j 1 9 3 9 、c a n o p e n 、j 1 5 8 7 、i d b l 3 9 4 、 f l e x r a y 、d e v i c e n e t 等汽车网络和工业控制网络软硬产品，如汽车多功能仪表、 数字仪表控制单元( s i p ) 、j19 3 9 b 7 单元、e m _ 2 3 2 网关【1 7 1 ； ( 2 ) 北京理工大学车载平台数据通讯系统的实现。该系统包括主控制器、4 个电机控制器和u s b t o c a n 通过c a n 总线相连，水平传感器和手操器通过 r s 2 3 2 接口和主控制器相连。，u s b t o c a n 设备为德国i x x a t 公司生产的 u s b t o c a nc o m p a c t ，其中包含了s j a l 0 0 0c a n 控制器可完成消息的收发，并 可以将c a n 信号转换成u s b 信号传递给上位机，上位机通过运行i x x a t 公司的 监视软件( m i n i m o n ) 可以在线观察总线上传输的数据【1 8 1 。 ( 3 ) 天津大学c a nb u s 高层协议c a n o p e n 的研究以及在模块化c a n 控制器 上的实现。c a n 节点分为节点控制模块和独立的：0 模块两部分，两者通过4 8 5 总线进行通讯。主要工作包括完成c a n 节点控制模块和i 0 模块的硬件设计， 实现两者之间的数据通讯以及c a n 总线控制器之间的c a n 通讯【1 4 】。 目前在国内c a n 的应用层协议主要应用d e v i c e n e t ，很少用到c a n o p e n ， 因此在我国c a n o p e n 协议需要进一步研究和推广。 1 3 课题来源、意义和研究内容 1 3 1 课题来源 本课题属于北京工业大学的电动汽车项目，项目来源于：北京市教委重点项 北京t 业大学丁学硕士学位论文 目和北京市自然科学基金共同资助项目( 编号：k z 2 0 0 4 1 0 0 0 5 0 1 ) 。 1 3 2 课题研究意义 长期以来，一些由中小型企业和研究机构组成的现场总线组织一直在致力于 开发和制定真正公共和开放的现场总线标准。其中，c a n o p e n 是最著名和成功 的种，已经在欧洲和美国获得广泛的认可和大量应用。了解c a n o p e n 协议的 产生背景和技术内容对c a n o p e n 协议在我国的推广和应用起到促进作用，同时 对发展我国自主版权的现场总线协议标准、促进国产现场总线产品的开发和产业 化具有重要意义。 1 3 3 课题研究内容 本课题主要研究内容如下： ( 1 ) 分析c a n o p e n 协议。 ( 2 ) 设计基于飞思卡尔1 6 位控制器m c 9 s 1 2 x d p 5 1 2 的c a n o p e n 主节点的 硬件平台。 ( 3 ) 设计基于m c 9 s 1 2 x d p 5 1 2 和p c o s i i 操作系统的c a n o p e n 主节点系 统。 ( 4 ) 扩展c a n o p e n 协议栈支持多主网络的功能。 ( 5 ) 设计混合动力电动汽车行规。 1 4 本章小结 本章首先介绍了课题研究的背景和国内外研究现状，然后给出了课题的来 源、研究意义和研究内容。 第2 章软硬件平台介绍 ii 一一i i i 一一一一m iii ! 曼! 曼曼! ! ! 鼍曼曼曼蔓! 曼曼! ! 曼! 曼曼曼 第2 章软硬件平台介绍 2 1 硬件平台的设计与实现 2 1 1 微处理器的介绍 m c 9 s 1 2 x d p 5 1 2 是飞思卡尔的1 6 位单片机，其内部资源包括：5 1 2 k b y t e s f l a s h 、3 2k b y t e sr a m 、4k b ”e se e p r o m6 个s c i 接口、3 个s p i 接口、1 个e c t 模块、一个8 通道的1 0 位a d 、一个1 6 通道的1 0 位a d 、一个8 通道 的p w m 、5 个支持c a n 2 0 a 、b 的c a n 模块、2 个i i c 模块。总线时钟最高4 0 m h z ； 内核时钟最高8 0 m h z 1 9 1 ；处理器及其外围电路如图2 1 所示。 图2 - 1m c 9 s 1 2 x d p 5 1 2 电路图 f i g u r e 2 - 1t h ec i r c u i to f m c 9 s 1 2 x d p 5 1 2 - 7 北京t 业大学工学硕士学位论文 曼皇! 曼曼! ! 曼! 曼曼! 曼苎曼曼曼曼曼i 一；i i i i 。 一鼍曼曼! ! 曼! ! ! ! ! 曼! 曼! ! ! 蔓! ! ! ! ! 曼 2 1 2 其他模块电路 电源模块电路： 电源芯片采用l m 7 8 0 5 产生5 v 电压，l m 7 8 0 5 特性：输入电压7 v 到2 0 v ， 输出电压4 6 5 到5 3 5 典型值为5 o v 2 们。电路如图2 2 所示。 图2 - 2 电源电路图 f i g u r e2 - 2t h ec i r c u i to fp o w e rs u p p l y 复位和b d m 模块电路： 复位电路的基本功能是在系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后撤 销复位信号，为可靠起见，电源稳定后还要经过一定的延时才能撤销复位信号， 以防电源开关或电源插头分合过程中引起抖动影响复位。采用r c 复位电路。 b d m 接口是接m c 9 s 1 2 x d p 5 1 2 调试器用的，通过调试器可以向m c 9 s 1 2 x d p 5 1 2 下载和调试程序。电路如图2 3 所示。 s c i 模块电路。 图2 - 3 复位及b d m 电路图 f i g u r e 2 3t h ec i r c u i to fr e s e ta n db d m 第2 章软硬件平台介绍 图2 - 4s c i 电路图 f i g u r e 2 - 4t h ec i r c u i to fs c i c a n 模块电路： m c 9 s 1 2 ) a ) p 5 1 2 内部集成5 个c a n 控制器，外部收发器采用飞利浦的 t j a l 0 5 0 作为c a n 总线收发器。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，主要应用在波特率范围从6 0 k b p s 到1 m b p s 的高速汽车应用中。t j a l 0 5 0 可以为总线提供差动的发送能力，为了c a n 控制器提供差动的接收功能，而且 完全符合“i s o l l 8 9 8 ”标准。t j a l 0 5 0 的特性如下【2 1 】： ( 1 ) 完全符合“i s 0 1 1 8 9 8 ”标准； ( 2 ) 高速率( 适合c a n 的6 0 k b p s - 1 m b p s 速率范围) ； ( 3 ) 低电磁辐射( e m e ) ( 4 ) 具带有宽输入范围的差动接收器，可抗电磁干扰( e m i ) ； ( 5 ) 没有上电的节点不会对总线造成干扰； ( 6 ) 发送数据( t x d ) 控制超时功能； ( 7 ) 发送禁能时的静音模式； ( 8 ) 在暂态时自动对总线引脚进行保护： ( 9 ) 输入级与3 3 v 装置兼容； ( 1 0 ) 热保护、对电源和地的防短路功能； ( 1 1 ) 可以连接至少1 1 0 个节点； ( 1 2 ) 提供s o 8 封装，工作温度范围：- 4 0 。c - - + 1 2 5 。 另外，为了增强c a n 总线节点的抗干扰能力，控制其和收发器并不时直接 相连，而是通过光耦6 n 1 3 7 后与收发器相连。这样就很好的实现了总线上各c a n 节点的电气隔离。不过，值得注意的是，光耦部分电路所采用的两个电源必须完 全隔离，否则采用光耦就失去了意义。电路如图2 - 5 所示。 北京工业大学丁学项十学位论文 图2 - 5c a n 电路 f i g u r e 2 - 5t h ec i r c u i to fc a n 以太网模块电路： 以太网芯片使用的是台湾r e a l t e k 公司生产的r t l 8 0 1 9 a s 以太网控制器。 该芯片是高集成以太网控制器芯片，片内集成了介质访问控制子层( m a c ) 和 物理层的性能，更重要的是它可以方便地设计基于i s a 总线的系统，简单的与 嵌入式c p u 或单片机进行接口。另外，它还具有与n e 2 0 0 0 兼容、软件移植性 好，以及低廉的价格等优点，在市场上的1 0 m b p s 网卡中占有相当的比例。 它的主要性能如下【2 2 l ： ( 1 ) 适应于e t h e m e ti i 、i e e e 8 0 2 3 协议、1 0 b a s e 5 、1 0 b a s e 2 、1 0 b a s e t ； ( 2 ) 支持8 位、1 6 位数据总线，8 个中断申请线以及1 6 个i o 基地址选择； ( 3 ) 全双工，收发可同时达到1 0 m b p s 的速率，具有休眠模式，以降低功耗； ( 4 ) 内置1 6 k b 的s r a m ，用于收发缓冲，降低对主处理器的速度要求； ( 5 ) 可连接同轴电缆和双绞线，并可自动检测所连接的媒介类型： ( 6 ) 支持闪存读写； ( 7 ) 允许四个诊断l e d 引脚可编程输出； ( 8 ) 1 0 0 脚的t q f p 封装，缩小主机板尺寸。 电路如图2 6 所示。 第2 章软硬件平台介绍 图2 - 6 以太网电路图 f i g u r e 2 - 6t h ec i r c u i to fe t h e m e t u s b 模块电路： u s b 芯片使用的是南京沁恒电子有限公司生产的c h 3 7 2 。c h 3 7 2 是一个 u s b 总线的通用设备接口芯片，是c h 3 7 1 的升级产品，是c h 3 7 5 芯片的功能 简化版。 在本地端，c h 3 7 2 具有8 位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出， 可以方便地挂接到单片机d s p m c u m p u 等控制器的系统总线上。c h 3 7 2 的特 点如下所示【2 3 】： ( 1 ) 1 全速u s b 设备接口，兼容u s bv 2 0 ，即插即用，外围元器件只 需要晶体和电容。 ( 2 ) 提供一对主端点和一对辅助端点，支持控制传输、批量传输、中断 传输。 ( 3 ) 具有省事的内置固件模式和灵活的外部固件模式。 ( 4 ) 内置固件模式下屏蔽了相关的u s b 协议，自动完成标准的u s b 枚 举配置过程，完全不需要本地端控制器作任何处理，简化了单片机的固件编 程。 ( 5 ) 通用w i n d o w s 驱动程序提供设备级接口，通过d l l 提供a p i 应用 层接口。 ( 6 ) 产品制造商可以自定义厂商标识( v e n d o ri d ) 和产品标识( p r o d u c t 北京丁业大学工学帧十学位论文 i d ) 。 ( 7 ) 通用的本地8 位数据总线，4 线控制：读选通、写选通、片选输入、 中断输出。 ( 8 ) 主端点上传下传缓冲区各6 4 字节，辅助端点上传下传缓冲区各8 字 节。 ( 9 ) 9 支持5 v 电源电压和3 3 v 电源电压，支持低功耗模式。 ( 1 0 ) c h 3 7 2 芯片是c h 3 7 5 芯片的功能简化版，c h 3 7 2 在c h 3 7 5 基础上 减少了u s b 主机方式和串口通讯方式等功能，所以硬件成本更低，但是其 它功能完全兼容c h 3 7 5 ，可以直接使用c h 3 7 5 的w d m 驱动程序和d l l 动 态链接库。 ( 1 1 ) 采用s s o p 2 0 封装，并可以提供兼容r o l l s 的无铅封装，引脚兼容 c h 3 7 4 芯片。 电路如图2 7 所示。 2 2 软件平台的介绍 图2 7u s b 电路图 f i g u r e 2 7t h ec i r c u i to fu s b 为f r e e s c a l e 单片机提供商用软件的公司有很多，著名的有m e t r o w e r k s 、 c o s m i es o t t w a r e 、i a rs y s t e m s 、i s y s t e m 等。c o d e w a r r i o r 是m e t r o w e r k s 公司开 发的软件集成开发环境( i d e ) ，飞思卡尔所有系列的微控制器都可以在 c o d e w a r r i o ri d 下进行软件开发。 c o d e w a r f i o ri d e 为软件开发提供了一系列的工具，其中包括1 2 4 1 2 5 】：项目管 理、编译器、搜索器、源代码浏览器、编译系统和调试器。c o d e w a r f i o ri d e 的 优点如下所示【2 4 】【2 5 】： ( 1 ) 交叉平台开发：开发人员可以在不同的操作系统下使用c o d e w a r r i o ri d e 来开发自己的软件。这些操作系统包括w i n d o w s ，m a c i n t o s h ，s o l a r i s ，和l i n u x 。 昝2 轼碰件。r 钉舟“ i d i ：存不同的操作系统f 的界面完仝相同。 r 2 1 支持多种语言：i d e 支持高级讲言，比如- c ，c 十，和j a v a 。另外还支 持人多数微控制器的扩编语言： f 3 ) 开发环境界【f 统一：丌敷环境界嘶统，i d e 支持许多通川的柬m i 或嵌 八式处理秣； f 4 ) 支持插件r 具：i d e 的功能可以通过加 各种插件米扩展。现在i d e 支 持的捕件包括：编译器，连接器，预先连接群，常用的面板，版本于夺制器以及其 他j ：且。插件可以让c o d e w a r r i o ri d e 支持小h 的语占年处理器。 c o d e w a r r i o ri d e 的开发界面如图2 - 8 所示。 2 3 本章小结 圈2 - 8 编译环境c o d e w a r r i o r f i g u r e 2 - 8 t r a n s l a t i n ga n de d i t i o n c o d e w a r r i o r 奉审首先介绍了硬件平台的设计，包括处理器外围电路、电源模块电路、复 位和b d m 模块电路、s c i 模块电路、c a n 模块屯路、以太网模块电路和u s b 模块电路的殴训；然后介绍了软件开发工具c o d e w a n - i o r i d e 。 北京工业大学工学硕士学位论文 第3 章c a n o p e n 协议分析 3 1c a n o p e n 基本原理 c a n 总线是一种有效支持分布式控制的串行通信网络，可实现全分布式多 机系统；可以用点对点，一点对多点以及全局广播几种方式传送和接收数据； c a n 总线直接通信距离最远可达1 0 k i n ，通信速率最高可达1 m b s ；且理论上 c a n 总线通信网络的节点数不受限制。c a n 总线是基于下列5 条基本规则进行 通信协调的：总线访问、。仲裁、编码t * 码、出错标注和超载标注【4 】【5 1 1 2 6 。 c a n 通信协议2 o 规定了4 种不同的帧格式：数据帧、远程帧、错误帧和 超载帧。其中数据帧用于传送数据，远程帧用于请求数据，超载帧用于扩展帧序 列的延迟时间，而当局部检测出错条件后产生一个全局信号出错帧2 1 1 4 5 】【2 6 1 。 一般的c a n 节点的结构如图3 1 所示，它是一个计算机系统、通用p c 系 统或嵌入式处理器系统。其关键部分是c a n 网络控制器和c a n 总线收发器， 由它们来实现c a n 总线的物理层和数据链路层协议，它们和计算机系统就可以 实现c a n 网络的通信。如果计算机系统中嵌入了