（电气工程专业论文）基于dspic6014的can总线高低温箱监控系统.pdf

本学 授权北京 提供阅览 同意学校 ( 保 学位 签字 中图分类号：t p 2 u d c ：x x x x 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 基于d s p i c 6 0 1 4 的c a n 总线高低温箱监控系统 t h eg d w m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e d o n d s p i c 6 01 4a n dc a nb u s 作者姓名：郑保磊 导师姓名：张晓冬 学位类别：工学 学科专业：电气工程 学号：0 8 1 2 2 0 9 4 职称：教授 学位级别：硕士 研究方向：电磁兼容 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 致谢 本论文的工作是在我的导师张晓冬教授的悉心指导下完成的，张晓冬教授 严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年 来张晓冬老师对我的关心和指导。 张晓冬教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向张晓冬老师表示衷心的谢意。 张晓冬教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，柴庆冕、王琳、张桂芳等同学对我论文中的 研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人对我的一贯支持，他们的理解和支持使我能够在学校专心完 成我的学业。 一j 1 中文摘要 中文摘要 摘要：高低温箱能提供一个高温环境和低温环境，使系统或电子元器件在模 温、低温条件下进行性能试验。由于安全试验的需求，需要对数量较多的 试验箱进行集中监视和管理，并需要在无人值守的情况下进行电话报警， 本文设计了一种基于p i c 单片机和c a n 通信的监控系统。 高低温箱监控系统，即开发用于对高低温箱设备的运行、故障、实时温度、 功能状态等方面进行监视以及控制的智能装置，它可以全天候远程监控高低温箱 系统的运作以及维护，对异常情况进行报警并采取相应的保护措施，给予高低温 箱设备以及人员安全提供了可靠的保障。高低温箱监控系统具有电话报警功能， 即使工作人员不在现场仍可收到报警信息，从而实现了高低温箱设备的无人值守。 高低温箱监控系统在硬件上以美国m i c r o c h i p 公司推出的d s p i c 3 0 f 6 0 1 4 a 为核 心处理器，主要进行数据的实时采集处理和高低温箱的故障保护，实时显示各高 低温箱设备的运行参数和状态信息，并实现电话报警、历史记录及远程参数设定 等功能。利用带有c a n 接口的高性能的d s p i c 3 0 f 6 0 1 4 a 单片机设计了c a n 总线 接口，给出了c a n 接口的硬件电路、软件流程。 高低温箱监控系统由一个主控制单元和若干远程控制单元组成。远程控制单 元负责高低温试验箱的温度采集和控制。主控制单元负责对数据进行存储、处理 和分析。用户可以通过上位机中的人机界面对采集系统进行控制。目前设备已经 投入运行，事实证明该设计具有结构简单、可靠性高、实时性强、性能价格比高 等特点。 关键词：高低温箱；d s p i c 6 0 1 4 微控制器；c a n 总线通讯；监控系统 分类号：t p 2 j a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h eg d wc a l l p r o v i d e ah i 曲t e m p e r a t u r ea n d l o wt e m p e r a t u r e e n v i r o n m e n t ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mo re l e c t r o n i cc o m p o n e n t sc a l lb et e s t e da t t h es i m u l a t i o no fh i 曲a n dl o wt e m p e r a t u r e a st h ed e m a n do fs a f e t yt e s t s ，w en e e da l a r g en u m b e ro fg d w f o rc e n t r a l i z e dm o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n t ，i tn e e dt e l e p h o n e a l a r mi nt h ea b s e n c eo fp e o p l eo nd u t y f o rt h e s er e a s o n s ，t h eg d w m o n i t o r i n gs y s t e m i sd e s i g n e db a s e do np i cs c ma n dc a nb u sc o m m u n i c a t i o n t h eg d wm o n i t o r i n gs y s t e m ，i tw a sd e v e l o p e df o rt h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l o v e rt h eo p e r a t i o n , t h em a l f u n c t i o n , r e a l - t i m et e m p e r a t u r e ，f u n c t i o n a ls t a t u so ft h e g d w e q u i p m e n t i tc a l ll i f ta na l l - w e a t h e rr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m ，o p e r a t i o na n d m a i n t e n a n c eo fa b n o r m a ls i t u a t i o ni n 也eg d wa l a r ma n de v e ne x e c u t i v ea u t o m a t i c s e c u r i t yo p e r a t i o ng i v e nt ot h es a f e t yo fg d we q u i p m e n ta n dp r o v i d ear e l i a b l e g u a r a n t e e w i t ht e l e p h o n ew a r n i n gf u n c t i o n , e v e no f f - s i t es t a f f 啪r e c e i v ea l e r t s ，a n d r e a l i z e dt h ea u t o m a t i cm o n i t o r i n gw i t h o u tp e r s o n l o n gt e r mo fg d we q u i p m e n t t h eg d w m o n i t o r i n gs y s t e mr e g a r d sd s p i c 3 0 f 6 0 14 ac h i pw h i c hm i c r o c h i p c o m p a n yp r o d u c e sa st h ek e yp r o c e s s o ro nt h eh a r d w a r e ，i ti sm a i n l yu s e dt od e a l 嘶m t r o u b l ep r o t e c t i o na n dg a t h e r i n gd a t ai nr e a lt i m e ，t h er e a l - t i m ec o n f i g u r a b l ep a r a m e t e r s a n ds t a t i s t i c sc a nb es h o w n , i tc a na l s or e a l i z et h ef u n c t i o ns u c ha st e l e p h o n ew a r n i n g ， h i s t o r y , a n dr e m o t ep a r a m e t e rs e t t i n g t h eh i g l l - c a p a b i l i t yd s p i c 3 0 f 6 014 as c m 诵t l l c a ni n t e r f a c ei su s e df o rd e s i g n i n gt h ec a nb u si n t e r f a c e i nt h i sp a p e r , t h eh a r d w a r e c i r c u i ta n dt h es o f t w a r ef l o wa r eg i v e n m o n i t o r i n gs y s t e mc o n s i s t so fam a i nc o n t r o lu n i ta n dan u m b e ro fr e m o t ec o n t r o l u n i t s t h er e m o t ec o n t r o lu n i ti sr e s p o n s i b l ef o rt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta n dc o n t r 0 1 d a t ai sp r o c e s s e da n da n a l y z e db yt h em a i nc o n t r o lu n i t u s e r sc a l lc o n t r o lt h es y s t e m t h r o u g ht h eh m i i ns u p e r v i s o r yc o m p u t e r a tp r e s e n t , t h ee q u i p m e n th a sb e e np u ti n t o o p e r a t i o n , i tt u r n so u tt h a tt h ed e s i g nh a st h ea d v a n t a g e so fs i m p l e ，h i g hr e l i a b i l i t y , h i g l l r e a l - t i m e ，h i g hp e r f o r m a n c e p r i c er a t i o k e y w o r d s ：g d w ；d s p i c 3 0 f 6 0 1 4m i c r o c o n t r o l l e r s ；c a nb u sc o m m u n i c a t i o n ； m o n i t o r i n gs y s t e m c i 。a s s n o ：t p 2 0ll 一j 2 4 2 帧类型8 2 4 3c a n 操作模式1 l 2 4 4 报文接收1 2 2 2 5 报文发送1 5 3 远程单元控制器硬件电路设计一1 9 3 1 温度采集硬件设计一1 9 3 1 1 铂热电阻传感器19 3 1 2r w b 温度变送器2 0 3 2 远程控制单元c a n 总线硬件电路设计。2 1 3 3 远程控制单元液晶显示硬件电路2 4 3 4 开关量输出2 5 4 主控单元控制器硬件电路设计2 7 4 1 主控单元控制器总体设计一2 7 4 2 主控制单元c a n 总线硬件电路设计一2 7 4 3 主控制单元触摸屏人机界面硬件电路设计2 8 北京交通大学硕士学位论文 4 3 1 迪文公司d m t 9 0 6 0 0 s 0 8 00 3 w n t 触摸屏简介2 8 4 3 2 触摸屏与d s p i c 3 0 f 6 0 1 4 的连接2 8 4 4 主控制单元电话模块硬件电路设计3 0 4 5 主控制单元s d 卡接口电路设计。3l 高低温箱网络监控系统软件设计。3 3 5 1 监控系统应用层通信协议3 3 5 1 1 智能节点信息标识符分配3 3 5 1 2 信息优先权分配3 4 5 1 3 应用层信息帧格式3 4 5 1 4 报文滤波机制的应用3 5 5 2c a n 总线软件设计3 6 5 2 1c a n 波特率计算3 6 5 2 2c a n 节点的初始化程序3 7 5 2 3c a n 节点中断接收子程序3 8 5 2 4c a n 节点发送子程序设计3 9 5 3 远程控制单元软件总体设计4 0 5 4 远程控制单元数据采集子程序4 0 5 5 远程控制单元液晶显示及按键程序4 2 5 5 1 文本显示4 2 5 5 2s t 7 9 2 0 中文菜单效果的实现4 2 5 5 3 绘图功能实现4 3 5 5 4 按键输入功能实现4 4 5 6 主控制单元软件总体设计4 5 5 7 主控制单元触摸屏人机界面程序设计4 6 5 7 1 串口初始化4 6 5 7 2 数据格式4 7 5 7 3 数据接收4 7 5 7 4 指令发送4 9 5 7 5 输入数据4 9 5 8 电话报警单元程序设计5 0 5 8 1 电话报警单元串口通信协议5 0 5 8 2 电话报警流程51 5 9s d 卡存储单元程序设计。5 2 5 9 1s d 卡接口程序5 3 i 一 目录 5 9 2 通用的s d 卡写命令程序5 3 5 9 3s d 卡的初始化5 4 5 9 4s d 卡的单块写程序5 4 5 9 5s d 卡的单块读程序5 5 5 9 6s d 卡读写历史记录程序5 6 6 实验结果5 7 6 1 远程控制单元实验结果5 7 6 2 主控制单元实验结果5 8 6 3 试验方案验证测试6 3 7 结论与前景展望6 5 7 1 主要研究成果和结论：6 5 7 2 前景展望。6 5 参考文献6 7 作者简历6 9 独创性声明7 1 学位论文数据集。7 3 一 i i 绪论 1 1 研究背景及选题意义 1 绪论 高低温箱主要用于工业产品高、低温可靠性试验。在航空工业及国防工业、 船舶兵器、电子电工、汽车摩托、控制线路都需要在模拟的高温、低温条件下进 行性能试验，检验其各项性能指标。高低温箱在科学试验中发挥着极其重要且不 可替代的作用，高低温箱的正常运行是保证试验正常条件【l 】。由于高低温试验持续 时间长，工作时有噪音、振动，环境较为恶劣，可能出现由于执行元件( 如加热 管、加热丝) 、接触器、控制器、调节器、电接点温度计烧毁或损坏造成高低温试 验箱运行过程中突然无加热或加热不受控。也有可能出现由于制冷执行元件接触 不良、压缩机、电磁阀控制、风冷系统、水冷系统等工作不正常而引起的制冷工 作异常。当高低温箱出现故障时如不能及时发现轻则可能由于温度不在指定的范 围而造成测试结果不正确，重则造成被测系统或电子元器件由于过热而损坏甚至 发生火灾事故，因此实现对高低温试验箱的监控有一定的现实意义。如果单位拥 有较多数量的高低温箱设备则需要更多的人手监视设备的运行，造成了人力资源 的浪费，因此对于拥有较多数量高低温试验箱的单位对安全可靠地进行高低温试 验提出了更高的要求：要求在无人在职守的情况下，完成实时监控、故障隔离、 电话语音报警、历史记录查询功能。为此设计了基于d s p i c 3 0 f 6 0 1 4 和c a n 总线 的高低温箱网络监控系统。 1 2 高低温箱监控系统研究现状 高低温箱设备一般都带有温度设定和显示面板，但目前很多高低温箱设备都 是人工控制且每个高低温箱都是独立工作的，对于拥有较多高低温箱的单位不便 于进行集中管理，随着单位高低温箱设备的增多，按照传统方式进行分散维护和人 工监控，不仅浪费人力、物力，可靠性不佳，还不能满足高低温箱测试工作的需求。为 了适应新形势新环境的要求，高低温箱设备维护工作必须向集中监控、集中维护、 集中管理的方向发展。因此对高低温箱设备进行集中监控已经成为发展的必然趋 势，开展对监控系统的研究具有十分重要的意义。本文对监控系统建立所要实现的 最终目的，监控系统发展的历史、现状及其国内发展情况，监控系统的关键技术，系统 构成，系统软件，系统性能等分别做了介绍【2 】。 。- 一 北京交通大学硕士学位论文 1 3 论文的主要工作 1 根据高低温试验箱安全运行的要求，提出了高低温箱监控系统的方案。经 过该方案的比较和调研工作，提出现场数据采集，分析处理，控制功能以及数据 通信等功能于一体的数字化监控系统的设计方案。 2 详细阐述了基于c a n 总线的网络监控系统设计，主要包括整体结构设计， 智能节点硬件，软件设计。并根据整体设计要求，制定c a n 总线应用层协议。通 过现场功能测试实验，实验表明系统具有实时性好、抗干扰能力强、可扩展性好 等特点。 3 在高低温箱网络监控系统中采用了触摸屏技术，设计出友好的人机界面， 使系统更易于操作。 4 以p i c 单片机为核心构建上位机和下位机，p i c 单片机具有引脚少、功能 强、可直接带l e d 负载、低功耗等优点。 5 开发出上位机软件和下位机软件。上位机软件负责显示、分析处理下位机 的状态信息，并具有远程设定功能，可通过上位机设定下位机参数以及密码等安 全信息。下位机软件主要负责现场数据采集和控制，以及单个高低温箱设备的参 数设定工作。 6 监控系统具有历史记录功能，设备运行的历史数据记录以及状态记录被存储 在s d 卡中，用户可以通过p c 机读取历史记录。 2 高低温箱网络监控系统总体设计 2 1 引言 2 高低温箱网络监控系统总体设计 高低温箱网络监控系统的设计按照微控制器应用系统的规范步骤，按照下述 几个方面进行考虑。 1 系统总体设计 在进行系统的总体设计前，应首先明白用户的要求，控制对象，硬件资源以 及现场的具体情况。并记录用户的详细要求，避免日后系统做较大的更改，浪费 人力资源，耽误合同期甚至发生纠纷等情况的发生。明确用户各项指标要求，例 如测量精度，量程范围，采用的总线类型以及信号波特率等等，并根据以上情况 编制详细的任务书。 2 系统硬件设计 系统硬件设计应根据系统总体方案确定合理、高可靠性、高精度、抗干扰能 力强的硬件系统。因为系统安装在工作环境恶劣的工业现场，所以对系统的可靠 性和抗干扰性提出了更高的要求。因此电子元器件的选型，p c b 制版等都要加强 电磁兼容方面的考虑。另外，在进行硬件设计时也要考虑降低成本的问题，在满 足功能要求以及系统可靠性的基础上要尽力降低硬件成本。 3 系统软件设计 系统软件设计首先根据制定的总体方案，画出程序流程图，根据流程图编写 每一个模块的程序，然后对每个模块的程序进行测试和修改，待每个模块程序完 成后，将每个子程序集成到一个工程中，最后进行总体测试和修改。 4 系统调试和试运行 系统调试包括上、下位机调试和系统联调两个部分。首先对上位机和下位机 独立运行时进行调试然后对上位机和若干台下位机进行联调，联调包括上、下位 机之间的通讯和其他功能的调试。为检验系统的可靠性、功能的完善性、抗干扰 性等性能还要在系统调试完成后进行一段时间的试运行，及时发现问题并加以修 正瞄】。 2 2 系统方案总体设计 2 2 1 主要功能 该监控系统由一个主控单元控制器( 上位机) 和若干远程单元控制器( 下位 2 2 2 技术指标 系统容量：1 0 个节点 数据传输速率：5 k b p s 通信方式：c a n 电缆芯线：2 芯 下位机到上位机无中继最大传输距离：10 k i n 下位机温度采集精度：o 1 下位机负责对高低温箱的电网回路控制：电源电压：3 8 0 v 2 2 0 v ，功率不大于 2 0 k w 上位机报警方式：电话报警，声音报警，状态显示报警 4 高低温箱网络监控系统总体设计 2 3 单片机的选型 2 3 1d s p i c 3 0 f 系列单片机简介 p i c 的名称是f l j ( p e r i p h e r a li n t e r f a c ec o n t r o l l e r ) 缩写。美国m i c r o c h i p 公司推出 的p i c 系列微控制器率先推出了采用精简指令集计算机r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o n s e tc o m p u t e r ) 、哈佛总线结构和流水线取指令方式，具有实用、低价、指令集小、 简单易学、低功耗、高速度、体积小、功能强、抗干扰能力强等优点，都体现微 控制器工业发展的新趋势 3 1 。d s p i c 3 0 f 系列通用数字信号控制器具有丰富的资源， 包括1 2 位a d 转换器( 2 0 0k s s ) 、内部e e p r o m 存储器、比较输出、捕捉输入、 i 2 c 和s p i 接口、c a n 接口、异步通信s a r d 接口、f l a s h 程序存储器读写等强 大的控制功能内核，具有强大的数字信号处理能力，和良好的应用前景【4 】。 本监控系统选用的d s p i c 3 0 f 系列单片机，较常用的其它类型单片机，d s p i c 3 0 f 系列单片机具有明显的优越性，主要体现有以下几个方面： ( 1 ) 改良的哈佛总线结构。d s p i c 3 0 fc p u 模块采用1 6 位( 数据) 改良的哈佛 架构，并带有增强型指令集包含对d s p 的有力支持。c p u 拥有2 4 位指令字，指 令字带有长度可变的操作码字段。程序计数器( p c ) 为2 4 位宽，可以寻址高达 4 m 2 4 位的用户程序存储器空间。单周期指令预取机制用来帮助维持吞吐量并提 供可预测的执行。除了改变程序流的指令、双字移动( m o v d ) 指令和表指令以 外，所有指令都在单个周期内执行 2 2 1 。 ( 2 ) c 编译器优化指令集。d s p i c 3 0 f 指令集有两类指令：m c u 类指令和d s p 类指令。这两类指令无缝地集成到架构中并从同一个执行单元执行。指令集包括 很多寻址模式，指令的设置可使c 编译器的效率达到最优 2 3 1 。对于大多数指令， 在每个指令周期d s p i c 3 0 f 能执行一次数据( 或程序数据) 存储器读操作、一次工 作寄存器( 数据) 读操作、一次数据存储器写操作和一次程序( 指令) 存储器读 操作。因此可以支持3 个操作数的指令，使a + b = c 操作能在单周期内执行。 ( 3 ) 寄存器组。d s p i c 3 0 f 器件在编程模型中有1 6 个1 6 位工作寄存器。每个工 作寄存器都可以充当数据、地址或地址偏移寄存器。第1 6 个工作寄存器( w 1 5 ) 作为软件堆栈的指针工作，用于中断和调用。 ( 4 ) 零活的寻址模式。c p u 支持固有( 无操作数) 、相对、立即数、存储器直 接、寄存器直接和寄存器间接寻址模式。每条指令根据其功能要求，与一个预定 义的寻址模式组相关。每条指令最多支持6 种寻址模式。 ( 5 ) d s p 功能。d s p 引擎具备一个高速1 7 位1 7 位乘法器、一个4 0 位a l u 、 两个4 0 位饱和累加器和一个4 0 位双向桶形移位寄存器。该桶形移位寄存器在单 文 4 个处理器陷阱 d s p 功能： 双数据取 模寻址和位反转寻址模式 两个4 0 位宽累加器，具有可选的饱和逻辑 1 7 位x 1 7 位单周期硬件小数整数乘法器 所有d s p 指令都是单周期的 一乘法累加( m a c ) 运算 单周期土1 6 位移位 6 1 6 位。d s p 指令可以无缝 时性能。m a c 指令和其他相 两个w 寄存器相乘。这要 指令保持线性。这是通过为 方式实现的【5 1 。 8 倍频和1 6 倍频) 高低温箱网络监控系统总体设计 外设功能： 高灌拉电流i o 引脚：2 5m a 2 5m a 5 个1 6 位定时器计数器；可以把1 6 位定时器配对形成3 2 位定时器模块 1 6 位捕捉输入功能 1 6 位比较p w m 输出功能 数据转换器接口( d c i ) 支持常见的音频编解码器协议，包括1 2 s 和a c 9 7 3 线s p i 模块( 支持4 帧模式) 1 2 c 模块支持多主器件从模式，支持7 位1 0 位寻址 两个可寻址的、备具f i f o 缓冲器的u a r t 模块 两个c a n 总线模块，与c a n2 0 b 标准兼容模拟功能： 12 位模数转换器( a n a l o g - t o d i g i t a lc o n v e r t e r ，a d c ) ，具有： 2 0 0k s p s 转换速率 多达1 6 个输入通道 在休眠和空闲期间进行转换 可编程低压检测( p r o g r a m m a b l el o w - v o l t a g ed e t e c t i o n ，p l v d ) 可编程欠压检测和复位产生 特殊单片机功能： 增强型闪存程序存储器： 对于工业级温度范围，最少擦写次数1 万次，典型擦写次数1 0 万次。 数据e e p r o m 存储器： 对于工业级温度范围，最少擦写次数1 0 万次，典型擦写次数1 0 0 万次。 软件控制下，可自行再编程 上电复位( p o w e r - o nr e s e t ，p o r ) 、上电延时定时器( p o w e r - u pt i m e r ，p w r t ) 以及振荡器起振定时器( o s c i l l a t o rs t a r t - u pt u n e r ，o s t ) 零活的看门狗定时器( w a t c h d o gt u n e r ，w d t ) ，片内带有低功耗r c 振荡 器，以便可靠地工作【6 1 。 2 4 控制局域i 网( c a n ) 的介绍 2 4 1 概述 控制器局域网( c a n ) 是一种串行通信的网络，可用于与其他外设或单片机之间 进行通信。此通信接口协议是针对允许在噪声环境下进行通信而设计的【7 1 。 d s p i c 3 0 f 系列c a n 模块满足b o s c h 规范中定义的c a n 2 0a b 协议的通信 控制器。模块支持协议的c a n1 2 、c a n 2 0 a 、c a n 2 0 b 版本以及c a n 2 0 ba c t i v e 7 都会进行错误检查，然后与过滤器进行匹配，以确定该报文是否应该接收并存储 在两个接收寄存器中的一个内。 2 4 2 帧类型 c a n 模块发送不同类型的帧，包括数据报文帧或由用户起动的远程发送请求 帧。下面介绍c a n 模块支持的几种帧类型。 1 标准数据帧 当c a n 节点希望发送数据时会产生一个标准帧。与其他所有帧相同，c a n 标准帧以帧起始位s o f ( 显性) 开始，与所有节点进行硬件同步。 在s o f 之后是仲裁字段，由1 2 位组成，包括1 1 位标识符( 表示报文的内容和 优先级) 和远程发送请求位( r t r ) 。r t r 位用于区分数据帧和远程帧。 8 高低温箱网络监控系统总体设计 在仲裁字段之后是控制字段，由6 位组成。字段的第l 位称为标识符扩展位 ( i d e ) ，该位为显性状态时，说明该帧为标准帧。第2 位是c a n 协议的保留位r b 0 ， 该位也定义为显性位。控制字段的其余4 位为数据长度码( d l c ) ，用于规定报文中 包含的数据字节数。 在控制字段之后是数据字段，包含正要发送的数据字节，数据字段长度由数 据长度码d l c 定义( 0 - 8 b ) 。 数据字段之后是循环冗余校验( c r c ) 字段，用来检测可能的报文传输错误。 c r c 字段由一个1 5 位的c r c 序列和一个定界符位组成。报文以帧结束( e o f ) 字段 结束。该字段由7 个隐性位填充构成。 最后是应答字段。在应答间隙位期间，发送节点发出一个隐性位。任何收到 无错误的帧节点都会发回一个显性位( 无论该节点是否配置为接收该报文) ，表明已 正确接收到应答帧。隐性应答定界符是应答间隙的结束标志，除了发生错误帧外 不能被显性位改写。 2 扩展数据帧 在c a n 扩展帧中，紧随帧起始位s o f 的是3 8 位仲裁字段。仲裁字段的前1 1 位为2 9 位标识符的1 1 个最高位( 基本i d ) 。第1 2 位是远程请求代位( s r r ) ，它以 隐性状态发送。s r r 位之后是i d e 位，该位隐性时表示这是c a n 扩展帧。值得注 意的是，如果在扩展帧标识符的前1 1 位发送完后，总线仲裁无结果，而此时参与 仲裁的某个节点发出c a n 标准帧( 1 1 位标识符) ，那么由于节点发出了显性i d e 位 而使c a n 标准帧赢得了仲裁。另外，c a n 扩展帧的s r r 位应为隐性，以允许正 在发送c a n 标准c a n 远程帧的节点发出显性r t r 位。s r r 位和i d e 位之后是标 识符的其余1 8 位( 扩展i d ) 以及一个显性远程发送请求位。 为使标准帧和扩展帧都能在同一网络上发送，应将2 9 位的扩展标识符拆分成 1 1 位( 最高位) 和1 8 位( 最低位) 两部分。拆分时必须确保标识符扩展位( i d e ) 在标准 帧和扩展帧中的位置保持不变。 在仲裁字段之后是控制字段，由6 位组成。前两位为保留位，是显性状态； 后4 位为数据长度码，它规定了数据字节数。扩展数据帧的其他部分( 数据字段、 c r c 字段、应答字段、帧结束和帧间间断) 在结构上与标准数据帧相同。 3 远程帧 通常数据传输是由数据源节点( 例如，传感器发送数据帧) 自主完成的。但也可 能发生目的节点向源节点请求发送数据的情况，这就需要目的节点发送一个标识 符与所需数据帧的标识符相匹配的“远程帧”。随后相应的数据源节点会发送一个数 据帧作为对远程请求帧的响应。 远程帧与数据帧有两点不同：第一，远程帧的r t r 位为隐性状态；第二，远程 9 过载帧可以由一个节点在下面两种情况之一产生。第一种，节点在帧间间隔 之间检测到一个支配位，这是一种不合法的情况。第二种，由于内部的一些情况， 节点不能开始下一条信息的接收。节点可以产生最大为2 个连续的过载帧来推迟 下一条信息传送。 6 帧间间隔 帧间间隔将前一个帧( 无论何种类型) 与其后的数据帧或远程帧分隔开来。帧间 间隔至少由3 个隐性位构成。帧间间隔使接收节点在开始发送接收下一个报文帧 之前有时间进行报文的处理。在帧间间隔之后，c a n 总线将保持隐性状态( 总线空 闲) ，直到开始发送下一帧。 如果发送节点处于错误被动状态，在节点发送任何其他报文之前，帧间间隔 中会插入另外8 个隐性位，此插入段称为暂停发送段。暂停发送段可以为其他发 送节点取得总线控制权留出更多的延迟时间。 1 0 高低温箱网络监控系统总体设计 2 4 3c a n 操作模式 可以选择c a n 模块工作在以下几种操作模式之一。这些模式包括：配置模式、 禁止模式、正常工作模式、监听模式、监听所有报文模式自检模式和错误识别模 式。 除错误识别模式外的其他模式都可以通过设置r e q o p 位 ( c i c t r l ) 来选择，错误识别模式通过设置r x m 位( ( c i r x n c o n ， 这里n = l 或2 表示一个特定的接收缓冲器) 来请求。通过监测o p m o d e 位 ( c i c t r l ) 可以确认进入的模式。通常在总线空闲期间( 总线空闲是指至少有 1 1 个连续的隐性位) ，模块不会改变模式和o p m o d e 位。 1 配置模式 在配置模式下，模块不会进行发送或接收。错误计数器清0 ，并且中断标志位 保持不变。编程将访问在其他模式下访问受限的配置寄存器。模块会防止因编程 错误而意外地违反c a n 协议。当模块在线时，所有控制模块配置的寄存器都不能 被修改。当进行发送时，c a n 模块不允许进入配置模式。配置模式可作为保护以 下寄存器的锁： 所有模块控制器： 波特率和中断配置寄存器； 总线定时寄存器； 标识符接收过滤寄存器； 标识符接收屏蔽寄存器。 在器件复位后，c a n 模块就处于配置模式( o p m o d e = 1 0 0 ) 。错误计数器 被清0 ，且所有寄存器都为其复位值。应该确保初始化在r e q o p 位清0 前完成。 2 禁止模式 在禁止模式下，模块不会进行发送或接收。由于总线活动，模块可以设置 w a k i f 位，但是等待处理的中断将继续等待，且错误计数器也将保持它们的值不 变。 如果r e q o p ( c i c t r l ) = 0 0 1 ，模块将进入禁止模式。如果该模块 处于活动状态，模块将等待c a n 总线上的1 1 个隐性位，检测总线空闲的条件， 然后接收模块禁止命令。当o p m o d e ( c i c t r l ) = 0 0 1 时，表示模块顺利 进入模块禁止命令。当模块在禁止模式时，i o 引脚将转换到通用i o 端口功能。 当模块或c p u 在休眠模式时，模块可以编程为c i r x 输入线，以提供一个尖 脉冲滤波动能。w a k f i l 位用于使能或关闭滤波器。 北京交通大学硕士学位论文 3 正常工作模式 当r e q o p = 0 0 0 时选择正常工作模式。在这个模式下，模块被激活，i o 引脚将承担c a n 总线功能。模块正常发送和接收c a n 总线报文。 4 监听模式 如果使能监听模式，c a n 总线上的模块是被动的。发送引脚转换到通用i o 引脚功能。接收引脚保持为输入。对于接收器，不发送错误标志或应答信号。在 这种状态下错误计数器无效。监听模式可以用来检测c a n 总线上的波特率。要使 用这一功能，需要至少有两个以上的节点彼此通信。 5 监听所有报文模式 监听所有报文模式是正常工作模式的特例，它允许系统进行调试。如果激活 监听模式，c a n 总线上的模块是被动的。发送器缓冲器恢复为端口i o 功能。接 收引脚保持在输入状态。对于接收器，不发出错误标志或应答信号。该状态下， 错误计数器失效，过滤器禁止。接收缓冲器o 将接收任何在总线上传输的报文。 该模式对于将模块作为不影响数据通信的总线监视器，来记录所有的总线通信很 有用。 6 自检模式 如果使能自检模式，模块将在模块边界连接内部发送信号和内部接收信号。 发送和接收引脚转换到它们的通用i o 引脚功能。 7 错误识别模式 模块可以设置为忽略所有的错误和接收所有的信息。设置r e q o p = 1 1 1 使错误识别模式有效。在这种模式下，报文缓冲器中的数据直到一个定时错误发 生时才被复制到接收缓冲器，并且通过c p u 接口读出。 发送器发送报文并接收应答信号，接收器将为发送器匀生应答信号【2 5 1 。 2 4 4 报文接收 1 接收缓冲器 c a n 总线模块有3 个接收缓冲器，其中总有一个缓冲器用于监视总线是否有 报文进来，这个缓冲器叫做报文合成缓冲器) 。因此，只有2 个接收缓冲器 可用( r x b 0 和r x b l ) ，这2 个缓冲器即可实现即时接收来自协议引擎的完整报文。 m a b 将组合所有接收到的报文，这些报文只有