CAN总线智能节点设计硬件选型问题的探讨.doc

CAN总线智能节点设计硬件选型问题的探讨CAN总线智能节点设计硬件造型问题的探讨DiscussionontheHardwareDesignSolutionsforIntelligentNodeBasedonCANBUS黄育和张立平徐永谦(广东省科学院自动化工程研制中心,广州市510070)HuangYuheZhangLipingXuYongqian(AutomationEngineeringR&MCenter,GuangdongAcademyofSciences,Guangzhou510070)【摘要】在简要介绍CAN协议主要性能的基础上,围绕CAN节点硬件设计的器件选型问题,详细描述当前国内流行的CAN收发器,CAN独立控制器和内置CAN控制器的嵌入式微控制器.对采用CAN独立控制器和直接使用内置CAN控制器的微处理器硬件设计方案进行简单的比较.并提出内置CAN控制器的微处理器硬件设计方案将成为CAN智能节点设计的首选方案.【关键词】CAN现场总线CAN收发器微控制器(Mcu)Abstract:Firstly,thepaperbrieflyintroducedthemainperformanceoftheCANprotoco1.AccordingtotheselectionofhardwaredesignforCANbusnode,itdescribedindetailthecharacteristicsofsomepopularchipsatpresentinthenationalmarket,includingtheCANtransceivers,thesthndaloneCANcontrollers,andtheembeddedmicrocontrollerswithintegratedCAN.AnditcomparedthehardwaredesignsolutionsbasedonthestandaloneCANcontrollerandthemicrocontrollerwithintegratedCANbus.Finally,itindicatedthatthedesignsolutionbasedonmicrocontrollerswithintegratedCANwillbethebestselectionforthedesignofintelligentCANbusnode.Keywords:ControllerAreaNetwork(CAN)FieldBusCANTransceiverMicrocontroller引言1986年2月,德国RobertBosch公司在汽车工程协会(SAE)大会上介绍了一种新型的串行总线控制器局域网(ControlAreaNetwork,CAN).最早,CAN总线用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信,其总线规范现已被国际标准化组织(ISO)制定为国际标准.由于得到Freescale(飞思卡尔半导体,原摩托罗拉半导体),Intel,NXP(恩智浦,原飞利浦半导体),Infineon(英飞凌,原Siemens半导体),NEC等公司的支持,CAN总线广泛应用在离散控制领域.CAN协议建立在ISO开放系统互联模型的基础上,但只取ISO模型结构的3层:物理层,数据链路层和应用层.1993年,CAN成为国际标准ISO11898(高速应用)和ISO11519(低速应用).与一般的串行通信总线相比,CAN总线具有突出的性能特点:1)通信方式灵活,CAN为多种工作方式;2)CAN网络上的节点具有不同的优先级,可满足不同的实时要求;收稿日期:2007-0115作者简介:黄育和(1975一),男,工程师,现攻读华南理工大学电子与信息学院电子与通信领域工程硕士学位.主要从事与机电一体化相关的电控产品设计与开发,嵌入式系统设计.张立平(1981一),女,助理工程师,现工作于广东省科学院自动化工程研制中心.徐永谦(1972-),男,副研究员,现攻读华南理工大学自动化科学与工程学院工程硕士学位.主要从事复杂工业过程控制与监测系统,先进制造技术,工厂自动化技术服务.3)CAN采用非破坏性总线仲裁技术,即载波监听多路访问冲突避免(CSMA/CA);4)通信距离最远可达10km(速率5kb/s),通信速率可达1Mb/s(此时距离最长为40m);5)CAN总线上的节点数取决于总线驱动器,当前可达1l0个;6)CAN采用短帧格式,而传输时间短,受干扰的概率低;7)CAN通信介质可为双绞线,同轴电缆或光8)CAN总线接口集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能.采用现场总线技术构造低成本的现场总线控制系统,促进现场仪表的智能化,控制功能分散化,:控制系统开放化,符合工业控制系统的技术发展趋势.基于突出的性能,CAN总线广泛应用于汽车,列车,机械制造,医疗器械,传感器,消防管理,自动化仪表等领域.由CAN总线构成的控制网络一般由控制器节点,传感器节点,执行器节点以及其它监控节点组成,而这些节点的设计首先要考虑的是如何实现CAN总线的物理层和数据链路层协议,也就是硬件选型的问题.1CAN总线智能节点的基本组成通常,CAN智能节点由微控制器,CAN控制器,CAN收发器3部分组成,即如图1所示的典型结构.这类节点硬件设计的第一步是CAN控制器和CAN收发器的选择.CAN收发器是一个物理层的器件,是仪鐾仪表氲准化与计删,丽FICAN总线控制器和物理总线之间的接口提供对总线的差动发送和接收能力.CAN控制器则完成CAN通信协议所要求的物理层和数据链路层的几乎所有功能,其实现有二种设计方案:采用CAN独立控制器和直接使用内置CAN控制器的微处理器.II1:III.CAN控制器RXTX电气隔离CAN收发器:ANHCANL=丁=CAN控制器RXTX电气隔离CAN收发器IlCANH,AN一.-终端电阻12OQ12OQ图1CAN总线网络智能节点的典型结构2CAN总线节点的硬件设计2.1CAN总线收发器国内使用较多的CAN收发器包括:NXP公司的PCA82C250/25l,TJAl040/104l,TJA1050/1054,MiCrOChiP公司的MCP2551,TI公司的SN65HVDl050,SN65HVD230/23l/232,SN65HVD233/234/235,SN65LBC03l,SN75LBC03l,Freescale公司的MC33388/MC33389.这些芯片都声称符合ISOl1898标准;文献【2】曾对部分CAN收发器进行性能比较,表l较全面地列出了与设计选型相关的主要特性.表l的CAN收发器除TJAl04l,TJAl054A,MC33388/33389以外,其它芯片都为8个引脚,其分布大致如图2所示,其中主要差别在Pm81Pin5的功能定义上.例如:PCA82C250/25l,MCP255l,SN65HVD230/23l,SN65HVD25l的Pin8和Pin5分别为RS*DVref功能.而其它8引脚的CAN收发器在Pin8和Pin5的功能则有差别,如:SN65HVD233带有回路反馈(Loopback,Pin5)功能,执行自诊断功能时不干扰总线lSN65HVD234通过EN引脚(Pin5)进入超低电流睡眠模式lSN65HVD235通过AB引脚(Pm5)进入静音模式,用于CAN控制器同步总线上的波特率.关于PCA82C250/251与TJA1040,TJA1050表1不同型号CAN收发器特性比较器件名称工作电源最大速率驱动节点芯片封装其它特点PCA82C2505.0V1Mbpsl108SOIC支持高速,斜率控制,待机模式DIP一8PCA82C2515.0V1Mbpsl108S0IC支持高速,斜率控制,待机模式DIP一8TJA10405.0V1Mbpsl108S0IC引脚兼容PC82C250/251TJA10415.0V1Mbpsl1014sOIC低功耗管理,多种诊断功能,静音模式TJA10505.0V1Mbpsl108S0ICPC82C250/251的升级,引脚兼容支持高速和静音模式TJA1054A5.0V1z5Kbps3014sOIC带容错功能,支持斜率控制,低功耗模式,总线故障管理MCP25515.0V1Mbpsl128SOIC支持高速,斜率控制和待机模式DIP一8SN65HVD2515.0V1Mbps1208SOIC兼容于PCA82C250和PCA82C251;支持高速,DIP一8斜率控制和低功耗的待机模式SN65HVD10505.0V1Mbps8S0IC兼容于TJA1050;支持高速,沉默模式SN65HVD230SN65HVD2313.3V1Mbps1208SOIC引脚兼容于PCA82C250;除HVD232外,支持SN65HVD232高速,斜率控制和低功耗的待机模式SN65HVD233SN65HVD2343.3V1Mbps1208SOIC均支持高速,斜率控制和低功耗的待机模式SN65HVD235SN75LBC0315.0V500Kbps8SOICSN5LBC031工作温度-40+802SN65LBC031DIP一8SN65LBC031工作温度一40+1202MC333885.0V125Kbps14SOIC引脚与TJA1054A兼容MC333895.0V125KbpsS0-28支持正常,待机和睡眠模式HSOP20带SPI通信接口-_-_ii-的比较在文献3】中有详细的描述.TXDGNDVCCRXDURsCANHCANLVref图2CAN收发器8-PIN通用引脚功能2.2CAN独立控制器CAN总线独立控制器必须具有完成高性能CAN所要求的全部必要特性,国内应用比较广泛的这类器件包括:NXP公司的SJA1000,PCA82C200,Intel公司的AS82527,AN82527,TN82527,Microchip公司的MCP2510和MCP2515.其中,SJA1000芯片应用最广泛,可供参考的文献也最多,譬如文献1,38】.SJA1000芯片是基于8051系列单片机并行接口设计的,一方面,8051系列单片机在国内拥有众多的技术人才,并占据国内8位MCU很大的市场份额;另一方面,SJA1000芯片的市场推广,应用宣传和销售渠道比较符合中国的国情,其中广州周立功单片机有限公司推动了NXP公司芯片在国内推广与应用.各半导体厂家所制造的CAN独立控制器芯片除支持CAN2.0A和CAN2.0B协议这一基本要求外,其它结构差异很大.因此,应用CAN独立控制器设计时,必须综合考虑产品开发的实际情况.表2中列出三类CAN独立控制器的一些特性,以供参考.2.3内置CAN控制器的微处理器嵌入式微处理器发展到今天,据不完全统计,全世界嵌入式处理器的品种已超过1000多种,流行体系结构达30多个.本文只介绍当前国内流行的,内置CAN控制器的几个系列微处理器;鉴于每一体系结构的微处理器内核结构,指令系统,接口方式各不相同,这里仅描述与CAN相关的部分.嵌入式系统设计中,微处理器的选型必须综合考虑众多因素91.2.3.1内置CAN控制器的8位单片机当前,国内市场上较流行的,内置CAN控制器的8位单片机包括:8051,AVR,PIC等系列,具体型号如表3所示.表3中各类MCU都内置1路CAN控制器,支持CAN2.0A和CAN2.0B协议,传输速率均可达1Mbps.2.3.2内置CAN控制器的ARM微控制器NXP公司的LPC2119/2129/2194/2292/2294是支持实时仿真和跟踪的l6/32位ARM7TDMI-SMCPU,带256/256k字节Flash存储器,16kb片内静态RAM.该系列微处理器包含2/4个互连的CAN2.0B接El,多个串行接El:2个16C550工业标准UART,高速I2C接口(400kbit/s)和2个SPI接口.采用超小LQFP64/144封装,双电源工作方式:CPU操作电压范围:1.651.95V(1.8V8.3%I/0操作电压范围:3.03.6V(3.3V10%).LPC2458FET180,LPC2468FBD208,LPC2468FET208是ARM7TDMISTM内核的32位微控制器,包含1个1O/100EthernetMAC接口,1个OTG,主机(OHCI)和设备操作的USB2.0全速(12Mbps)设备,2个CAN2.0B通道;含有512kb的ISP/IAPFlash,98kb的SRAM,一个外部存储器接口,10位A/D和D/A转换器,一个以太网RC振荡器和一个SD存储卡接口.STR7是意法半导体(ST)公司推出的,基于工业标准ARM7精简指令集内核的32位微控制器,其中的STR712FR0/FR1/FR2和STR71OFZ1/FZ2这五款芯片集成了1个CAN控制器;而STR731FV0/表2CAN独立控制器性能比较器件名称最大速率与MCU接口封装其它特点SJA1Ooo1Mbps8位并行DIP-281)BacCAN模式与PCA82C200在引脚和电气上兼容总线接口28SOIC2)扩展的接收缓冲器(64字节FIFO)3)支持PeliCAN模式扩展功能4)24MHz时钟频率MCP25l0lMbps高速SPI串DIP一181)08字节报文长度行总线接口18S0IC2)带可配置中断输出(接收缓冲器满,请求发送)(5MHz)20TSS0P3)低功耗休眠工作模式4)工作电压:3.05.5VMCP25151Mbps高速SPI串DIP一181)08字节报文长度行总线接口18S0IC2)带可配置中断输出(接收缓冲器满,请求发送)(10MHz)2OTSS0P3)低功耗休眠工作模式4)带起始帧信号(SOF)5)引脚与MCP2510兼容6)工作电压:2.75.5VTn廿strI雹Gn1【il)lOrK表3流行的内置CAN控制器的8位单片机体系结构制造商MCU型号特性功能AtmelAT89C51CC011)32K/16K/64KFlashR0M,1280/512/2304字节RAM,AT89C51CC022KEPR0M,5/2/5通道16bitPCAAT89C51CC032)工作电源:35.5V3)封装:AT89C51CC01:VQFP44,PLCC44AT89C51CC02:SOIC28,SOIC24,PLCC28,VQFP32AT89C51CC03:VQFP44,PLCC44,PLCC52,VQFP648051NXPP87C5911)16KOTP型ROM,512字节RAM体系2)64字节CAN接收FIFO,13字节CAN发送缓冲区,增强型PeliCAN内核3)工作电源:5V4)封装:PLCC44,QFP44SiliconC8051F040/1/2/31)64K/32KFlashROM,4352字节RAMLabs/4/5/6/72)CAN控制器包括32个消息对象C8051F060/1/2/33)片内JTAG调试/4/5/6/74)工作电源:2.73.6V5)封装:TQFP100,TQFP64AVRAtmelAT90CAN321)32K/64K/128KFlashROM,2K/4K/4KRAM,1K/2K/4K体系AT90CAN64E2pROMAT90CAN1282)JTAG,8路10bitADC,2路UART,53个可编程I/O端口,SPI接口3)工作电源:2.75.5V4)封装:TQFP64,QFN64PICMicrochipPIC18F2481)16K/32KFlashROM,768/1536字节RAM,256字节E2pROM体系PIC18F2582)5/8路10bitADC;UART,I2C,SPI接口PIC18F4483)工作电源:5VPIC18F4584)封装:PIC18F248/258:DIP28,SOIC28PIC18F448/458:DIP40,PLCC44,TQFP44FV1/FV21:1STR730FZ1/FZ2这五款芯片集成了3个CAN控制器l这些内置CAN控制器支持CAN2.0A和CAN2.0B协议,其传输速率可达1Mbps.类似的ARM微处理器还有Atmel公司的AT91SAM7A1/7A2/7A3,这三款芯片分别包含1/4/2路CAN控制器lAT91SAM7XC和AT91SAM7X系列ARM处理器包含l路CAN控制器.这些内置于ARM微处理器内的CAN控制器都支持CAN2.0AS1CAN2.0B协议.2.4独立CAN控制器与内置CAN控制器的微处理器设计方案比较在现有仪器仪表等产品升级,换代(增加CAN通信功能)过程中,采用基于CAN独立控制器的设计方案,可以比较好地继承以往的设计,包括原设计的硬件原理,嵌入式软件的重复利用;同时,独立CAN控制器芯片选型灵活,可以与多种类型的单片机,微控制器的各类标准总线进行接口组合.这样,应用CAN独立控制器可以大大缩短升级产品的开发过程,节约成本.直接使用内置CAN控制器的微处理器设计方案设计CAN节点,可以使电路结构简化更紧凑,原理更32I位置倥表蠢准化与计墨丽F一简单,从而提高效率.尽管采用基于CAN独立控制器的设计方案在升级产品时具有很多便利,但是采用内置CAN控制器可大大降低设备成本,简化硬件结构,通信效率加强,提高了安全性以及可靠性【1.大多数半导体厂商在微处理器设计中像以往集成通用异步收发传输器(UART)来支持RS232/485串行通信一样,如今趋向于集成CAN的方式来替代;因此,越来越多的微处理器将集成CAN控制器.随着内置CAN控制器的微处理器功能,型号的不断扩展和增多,直接使用内置CAN控制器的微处理器硬件设计方案将是未来设计人员设计CAN智能节点的首选方案.3结语基于CAN具有很好的实时性,可靠性和容错能力,随着CAN总线在智能楼宇,机械制造,工业自动化等领域的推广,势必要求传统RS-485标准的现场设备改造为或者增JCAN标准接口.本文详细阐述了CAN智能节点硬件设计的关键环节CAN网络控制器和CAN总线收发器的选型问题,以给CAN节点的设计者提供参考.(下转第44页)SFB15WriteDatatoaRe131oteCPU.PUTENENDM7010.0REODONEW#15#3-IDERR0RPDB4DBXSTATUS100BYTEADDR.1PDB45DBX0.0BYTE16ADDR一2ADDR一3ADDR一4PDB1014DBX100BYTESD一1PDB1014DBX100BYTE16-SD.2So一3SD一4(上接第25页)图3通信的梯形图表1无线通信安全,可扩展互操作和节能需求分析安全需求网络安全:具有针对故意攻击和人为错误的保护能力,包括:+设备身份认证;+通信关系认证(通常由配置数据库发起);+自动密钥管理;+推测,记录和报告可能的攻击.数据安全:具有保障数据的保密性,完整性,时效性和进行数据认证的能力.可扩展需求+每个控制中心最多可连接1000个无线设备;+系统可同时容纳多个覆盖区域重叠的网络.兼容性与互+可与现有的工厂办公网络和控制网络共存操作需求+可以与现有的控制系统互联,从用户的角度实现控制应用的底层通信网络无关性.节能需求无线设备依靠电池供电可工作5年.(上接第j2页)参考文献1史久根,张培仁,陈真勇.CAN现场总线系统设计技术M.北京:国防工业出版社,2004:20222胡剑,李刚炎.CAN在客车网络控制系统设计中的若干问题研究J.微计算机信息,2006(6)中册:ll0ll23饶运涛,邹继军,郑勇芸.现场总线CAN原理与应用技术M】.北京:北京航空航天大学出版社,2003:142148【4刘光,梁涛,牛春刚.CAN总线智能节点的设计和实现J】.微计算机信息,2006(6)中册:1021035】王毅峰,温希东.基于CAN总线的数据采集模块设计J】.微计算机信息,20