电网监控系统的CAN总线智能通信节点设计.doc

电网监控系统的 CAN 总线智能通信节点设计I 摘摘 要要 智能电网是经济和技术发展的必然结果 而现场总线是在发展综合自动化的需要 下产生的 它适应了工业控制系统向分散化 网络化和智能化发展的方向 CAN 总线 现已经形成国际标准 并已被公认为最有前途的现场总线之一 本设计的主要任务是 开发电网监控系统的 CAN 总线智能通信节点模块 它具有现场数据采集和控制及 CAN 总线通信的功能 可以通过 CAN 总线通信与其它 CAN 智能测控节点传送状态和 各种参数 接收来自监控节点的命令和数据来调整和改变控制状态 智能控制是控制理论和技术发展的高级阶段 是一个新兴的并正在迅速发展的领 域 它主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题 关键词 电网监控 CAN 总线 SJA1000 PCA82C250 电网监控系统的 CAN 总线智能通信节点设计II ABSTRACT Smart Grid is the economic and technological development The inevitable result of the field bus is required in the development of integrated automation arising under It adapted to the decentralization of industrial control systems networking and intelligent direction of the development CAN bus now has become an international standards and has been recognized as the most promising one field bus The main task of this design is the development of network monitoring system CAN bus Intelligent Communication Node module which has on site data acquisition and control and CAN bus communication features you can communicate with other CAN bus intelligent control node transmission status and various parameters to receive commands from the control node and data to adjust and change the control state Intelligent control is the control theory and technology of the advanced stage of development is an emerging and rapidly developing area It is primarily those who use traditional methods to solve difficult control problem of complex systems Key words Network monitoring CAN bus SJA1000 PCA82C250 电网监控系统的 CAN 总线智能通信节点设计III 目 录 1 1 绪论绪论 1 1 1 智能电网的概念 2 1 2 现场总线的概念 3 1 3 现场总线的产生与发展 4 1 4 现场总线的结构模型 5 1 5 现场总线的特点与优点 6 2 2 电网监控的控制器局域网总线 电网监控的控制器局域网总线 CANCAN 8 2 1 CAN 总线技术特点 8 2 2 CAN 总线技术规范 9 2 3 CAN 总线的通信原理 10 3 3 CANCAN 总线智能通信节点设计总线智能通信节点设计 13 3 1 硬件电路设计 14 3 2 CAN 总线通信接口的控制和驱动 16 3 3 CAN 通信接口电路设计 21 4 CAN 总线通信节点的软件设计 24 4 1 SJA1000 的初始化 24 4 2 报文的发送过程 26 4 3 报文的接收过程 29 5 结论 33 参考文献 34 致谢 35 附录 36 电网监控系统的 CAN 总线智能通信节点设计1 1 1 绪论绪论 智能电网是经济和技术发展的必然结果 具体是指利用先进的技术提高电力系统 在能源转换效率 电能利用率 供电质量和可靠性等方面的性能 智能电网的基础是 分布式数据传输 计算和控制技术 以及多个供电单元之间数据和控制命令的有效传 输技术 智能电网就是通过传感器把各种设备 资产连接到一起 形成一个客户服务 总线 从而对信息进行整合分析 以此来降低成本 提高效率 提高整个电网的可靠 性 使运行和管理达到最优化 1 智能电网需要具有实时监视和分析系统目前状态的能力 既包括识别故障早期征 兆的预测能力 也包括对已经发生的扰动做出响应的能力 智能电网也需要不断整合 和集成企业资产管理和电网生产运行管理平台 从而为电网规划 建设 运行管理提 供全方位的信息服务 2 CAN 是 Controller Area Network 的缩写 以下称为 CAN 是 ISO 国际标准化的 串行通信协议 在当前的汽车产业中 出于对安全性 舒适性 方便性 低公害 低 成本的要求 各种各样的电子控制系统被开发了出来 由于这些系统之间通信所用的 数据类型及对可靠性的要求不尽相同 由多条总线构成的情况很多 线束的数量也随 之增加 为适应 减少线束的数量 通过多个 LAN 进行大量数据的高速通信 的 需要 1986 年德国电气商博世公司开发出面向汽车的 CAN 通信协议 此后 CAN 通 过 ISO11898 及 ISO11519 进行了标准化 现在在欧洲已是汽车网络的标准协议 现在 CAN 的高性能和可靠性已被认同 并被广泛地应用于工业自动化 船舶 医疗设备 工业设备等方面 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一 被誉 为自动化领域的计算机局域网 它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时 可 靠的数据通信提供了强有力的技术支持 CAN 属于现场总线的范畴 它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信 网络 较之目前许多 RS 485 基于 R 线构建的分布式控制系统而言 基于 CAN 总线的 分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性 首先 CAN 控制器工作于多主方式 网络中的各节点都可根据总线访问优先权 取决于报文标识符 采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据 且 CAN 协议废除了站地址编码 而代之以对通信数据进行编码 这可使不同的节点同时接收 到相同的数据 这些特点使得 CAN 总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强 并且容易构成冗余结构 提高系统的可靠性和系统的灵活性 而利用 RS 485 只能构成 主从式结构系统 通信方式也只能以主站轮询的方式进行 系统的实时性 可靠性较 差 3 其次 CAN 总线通过 CAN 控制器接口芯片 82C250 的两个输出端 CANH 和 CANL 与物理总线相连 而 CANH 端的状态只能是高电平或悬浮状态 CANL 端只能 电网监控系统的 CAN 总线智能通信节点设计2 是低电平或悬浮状态 这就保证不会出现象在 RS 485 网络中 当系统有错误 出现多 节点同时向总线发送数据时 导致总线呈现短路 从而损坏某些节点的现象 而且 CAN 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能 以使总线上其他节点的操作不 受影响 从而保证不会出现象在网络中 因个别节点出现问题 使得总线处于 死锁 状态 而且 CAN 具有的完善的通信协议可由 CAN 控制器芯片及其接口芯片来实现 从而大大降低系统开发难度 缩短了开发周期 这些是只仅仅有电气协议的 RS 485 所 无法比拟的 4 另外 与其它现场总线比较而言 CAN 总线是具有通信速率高 容易实现等诸多 特点的一种已形成国际标准的现场总线 这些也是目前 CAN 总线应用于众多领域 具有强劲的市场竞争力的重要原因 1 1 智能电网的概念 1 1 1 智能电网的含义 智能电网并没有一个确定的概念 各个领域的专家从不同角度阐述了智能电网的 内涵 并且随着研究和实践的深入对其不断细化 天津大学余贻鑫院士给出如下定义 智能电网是指一个完全自动化的供电网络 其中的每一个用户和节点都得到实时监控 并保证从发电厂到用户端电器之间的每一 点上的电流和信息的双向流动 智能电网通过广泛应用的分布式智能和宽带通信 以 及自动控制系统的集成 能保证市场交易的实时进行和电网上各成员之间的无缝连接 及实时互动 智能电网是经济和技术发展的必然结果 具体是指利用先进的技术提高电力系统 在能源转换效率 电能利用率 供电质量和可靠性等方面的性能 智能电网的基础是 分布式数据传输 计算和控制技术 以及多个供电单元之间数据和控制命令的有效传 输技术 针对智能电网技术 美国和欧洲已经形成强大的研究群体 研究内容覆盖发电 输电 配电和售电等环节 许多电力企业也在如火如荼地开展智能电网建设实践 通 过技术与具体业务的有效结合 使智能电网建设在企业生产经营过程中切实发挥作用 最终达到提高运营绩效的目的 总之 智能电网就是通过传感器把各种设备 资产连接到一起 形成一个客户服 务总线 从而对信息进行整合分析 以此来降低成本 提高效率 提高整个电网的可 靠性 使运行和管理达到最优化 1 1 2 智能电网与传统电网的差异 传统电网是一个刚性系统 电源的接入与退出 电能量的传输等都缺乏弹性 致 使电网没有动态柔性及可组性 垂直的多级控制机制反应迟缓 无法构建实时 可配 电网监控系统的 CAN 总线智能通信节点设计3 置 可重组的系统 系统自愈 自恢复能力完全依赖于实体冗余 对客户的服务简单 信息单向 系统内部存在多个信息孤岛 缺乏信息共享 虽然局部的自动化程度在不 断提高 但由于信息的不完善和共享能力的薄弱 使得系统中多个自动化系统是割裂 的 局部的 孤立的 不能构成一个实时的有机统一整体 所以整个电网的智能化程 度较低 与传统电网相比 人们设想中的智能电网将进一步拓展对电网全景信息 指完整 的 正确的 具有精确时间断面的 标准化的电力流信息和业务流信息等 的获取能 力 以坚强 可靠 通畅的实体电网架构和信息交互平台为基础 以服务生产全过程 为需求 整合系统各种实时生产和运营信息 通过加强对电网业务流实时动态的分析 诊断和优化 为电网运行和管理人员提供更为全面 完整和精细的电网运营状态图 并给出相应的辅助决策支持 以及控制实施方案和应对预案 最大程度地实现更为精 细 准确 及时 绩优的电网运行和管理 与传统电网相比 智能电网将进一步优化各级电网控制 构建结构扁平化 功能 模块化 系统组态化的柔性体系架构 通过集中与分散相结合 灵活变换网络结构 智能重组系统架构 最佳配置系统效能 优化电网服务质量 实现与传统电网截然不 同的电网构成理念和体系 由于智能电网可及时获取完整的电网信息 因此可极大地优化电网全寿命周期管 理的技术体系 承载电网企业社会责任 确保电网实现最优技术经济比 最佳可持续 发展 最大经济效益 最优环境保护 从而优化社会能源配置 提高能源综合投资及 利用效益 智能电网监控系统的连接采用了现场总线 而且 CAN 总线又具备了一系列的优点 所 以本毕业设计是 CAN 总线对智能电网监控的通信设计 1 2 现场总线的概念 现场总线是应用在生产现场 在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数 字通信的系统 也被称为开放式 数字化 多点通信的底层控制网络 现场总线技术 将专用微处理器置入传统的测量控制仪表 使它们各自都具有了数字计算和数字通信 能力 采用双绞线 电缆和光纤等作为通信介质 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以及现 场仪表与远程监控计算机之间 实现数据传输与信息交换 形成各种适应实际需要的 自动控制系统 5 传统的测控自动化系统 采用一对一连线 用电压 电流的模拟信号 进行测量控制 或采用自封闭的集散系统 难以实现设备之间以及系统与外界之间的 信息交换 使自动化系统称为 信息孤岛 现场总线是一种在工业现场环境运行的 性能可靠 造价低廉的通信系统 可以完成现场自动化设备之间的多点通信 实现底 层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换 现场总线作为过程自动化 制造自 电网监控系统的 CAN 总线智能通信节点设计4 动化 楼宇和交通等领域现场智能设备之间的互连通信网络 沟通了生产过程现场控 制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系 为彻底打破自动化系统的信息孤 岛创造了条件 现场总线控制系统 FCS Fieldbus Control System 是开放系统网络 又是一种全 分布控制系统 它作为智能设备的联系纽带 把连接在总线上 作为网络节点的智能 设备连接为网络系统 并进一步构成自动化系统 实现基本控制 补偿计算 参数修 改 报签 显示 监控 优化和控管一体化的综合自动化功能 6 这是一项以智能传感 器 控制 计算机 数字通信和网络为主要内容的综合技术 现场总线是新型自动化 系统 又是低带宽的底层控制网络 它可与因特网 企业内部网相连 且位于生产控 制和网络结构的底层 因而有人称之为底层网 它作为网络系统最显著的特征是具有 开放统一的通信协议 肩负着生产运行一线测量控制的特殊任务 它与现场设备直接 连接 一方面将现场测量控制设备互连为通信网络 实现不同网段 不同现场通信设 备间的信息共享 同时又将现场运行的各种信息传送到远离现场的控制室 并进一步 实现与操作终端 上层控制管理网络的连接和信息共享 由于现场总线所肩负的测量 控制的特殊任务 它具有自己的特点 它要求信息传输的实时性强 可靠性高 且多 为短帧传送 传输速率一般在 1 kbps 至 1 Mbps 之间 由于现场总线适应了工业控制系统向分散化 网络化和智能化发展的方向 它一 经产生便成为全球工业自动化技术的热点 受到全世界的普遍关注 1 3 现场总线的产生与发展 现场总线是在发展综合自动化的需要下产生的 现代的工业生产需要把市场 生 产计划 制造过程 售后服务和企业管理作为统一的生产过程来考虑 并采用计算机 控制和通信等技术来实现整个过程的综合自动化 以改善生产加工和管理决策等 要 实现整个生产过程的信息集成 实现综合自动化 就必须设计出一种能在工业现场环 境运行的 性能可靠的 价格低廉的通信系统 以实现现场自动化智能设备之间的多 点数字通信 形成工厂底层网络系统 实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的 信息交换 现场总线就是在这种背景下产生的 智能仪表的出现为现场总线的出现奠 定了基础 从用户到设备制造商都强烈要求形成统一的标准 组成开放互连网络 开放意味 着对同一标准的共同遵从 意味着来自不同厂商而遵从相同标准的设备可以互连为一 致的通信系统 从这个意义上说 现场总线就是工厂自动化领域的开放互连系统 1984 年 美国仪表协会 ISA 下属的标准与实施 T 作组中的 ISA SP50 开始制定现场 总线标准 1985 年 国际电工委员会决定由 Proway Working Group 负责现场总线体系 结构与标准的研究制定工作 1986 年 德国开始制定过程现场总线 Process Fieldbus 标准 简称为 PROFIBUS 由此拉开了现场总线标准制定及其产品开发的序 电网监控系统的 CAN 总线智能通信节点设计5 幕 1992 年 由 Siemens Rocemount ABB Foxboro Yokogawa 等 80 家公司 联合 成立了 ISP Interoperable System Protocol 组织 着手在 PROFIBUS 的基础上 制定现场总线标准 1993 年 以 Honeywell Bailey 等公司为首 成立 World FIP Factory Instrumentation Protocol 组织 有 120 多个公司加盟该组织 并以法国标 准 FIP 为基础制定现场总线标准 1994 年 ISP 和 World FIP 北美部分合并 成立 T 现 场总线基金会 Field bus Foundation 简称 FF 推动了现场总线标准的制定和产品开 发 于 19 年第一季度颁布了低速总线 H1 的标准 安装了示范系统 将不同厂商的 符合 FF 规范的仪表互连为控制系统和通信网络 使 H1 低速总线开始步入实用阶段 与此同时 在不同行业还陆续出现了一些有影响的总线标准 它们大都在公司标准的 基础上逐渐形成 并得到其他公司 厂商 用户以至于国际组织的支持 如德国 Bosch 公司推出的 CAN 美国 Echelon 公司推出的 Lon Works 等 当前 由于各行业和各公 司投资效益和商业利益的需要 存在着多种现场总线标准共存 同一生产现场有几种异 构网络互连通讯的局面 但发展共同遵从的统一的标准规范 真正形成开放互连系统 是现场总线技术的大势所趋 7 1 4 现场总线的结构模型 按 ISO International Standardization Organization 国际标准化组织 的 OSI Open System Interconnection 开放式系统互联 参考模型的规定 计算机网络结构 分为 7 层 包括物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层和应用层 IEC International Electro technical Commission 国际电工技术委员会 定义现场总线 的结构模型为 3 层 分别为物理层 数据链路层和应用层 8 其原因是 在现场总线实 际应用中 不需要选择等功能 传送信息通常也不会提交给高层网络 从实际需要出 发 可以减少层次 但是 现有的传输层不支持广播式或多点式寻址 现有的会话层 和表示层均不具备周期性服务的功能 为此 美国仪表学会制定的 ISA SPSO 现场总线 结构模型规定 增加新的用户层 这样 现场总线结构模型统一为 4 层 即 物理层 数据链路层 应用层和用户层 两种网络模型之间的对照关系如图 2 1 所示 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 用户层 应用层 数据链路层 物理层 7 6 5 4 3 2 1 4 8 3 7 6 5 4 3 2 1 ISO网络结构模型 ISA SPSO现场总线结 构模型 电网监控系统的 CAN 总线智能通信节点设计6 图图 2 12 1 两种网络模型的比较两种网络模型的比较 现场总线模型 4 个层次的任务概况如下 1 物理层 Physical layer 规定了铜导线 无线通信和光纤 传输速率 通常分为低 高速两类 低速 H1 一般不超过 31 25kbps 高速 H2 不超过 1 Mbps 或 2 5Mbps 物理层还应规定每条线路最多连接的智能端口数量 最大传输距离与速度有 关 通常低速率 H1 时为 1900m 若速率允许更低 则传输速率可达 10km 不同的高速 率 H2 传输距离可不超过 750m 500m 或 40m 不等 2 数据链路层 Data link layer 规定了物理层与应用层之间的接口 如 数据结构 从总线上传送数据的规则 传输差错识别处理 噪音检测 多主站使用规 范等 该层通过每帧数据校验来保证信息的正确性 完整性 为应用层透明与可靠的 传输和处理做准备 概括的讲 其主要任务是解决通信过程中数据的链接任务 具体 表现在确定总线存取规则 令牌传送 申请立即响应 总线时间调度等规则 3 应用层 Application layer 提供设备之间及网络要求的数据服务 以 对现场控制进行支持 为给用户提供一个简单的接口 该层大部分工作内容是定义信 息语法 传输信息的方法 网络初始化的管理操作 通过出错统计 控制网络运行并 检查有无新站挂网或老站退出 系统连续询问各可能的站地址以寻找新站 该层利用 对信息或命令的格式及读写规定 使通信双方或多方互相理解其内容 数据格式 并 可完成纠错判断 4 用户层 User layer 把数据规格为确定的形式 并用以表达特定的功能 或设备 从而能被连接在现场总线网络上的智能端口 设备或仪表 所识别和理解 简言之 用户层的主要任务是对现场总线设备中数据库信息的互相存取制定统一的规 则 定义功能块 提供用户对系统进行组态的语言 现场总线模型中还必须有网络管 理部分 其任务是将上述网络通信协议中的 4 个层次有机的结合在一起 协调的工作 使各层准确的完成通信和数据交换所赋予的任务 网络管理不直接参与数据通信 但 对通信任务起着必不可少的保证作用 1 5 现场总线的特点与优点 1 5 1 现场总线系统的特点 系统的开放性 开放是指对相关标准的一致性和公开性 强调对标准的共识与遵 从 开放系统是指世界上任何遵守相同标准的设备或系统之间都可以互连 通信协议 一致公开 各不同厂家的设备之间可实现信息交换 用户可根据自己的需要 把来自 不同供应商的产品组成随意的系统 通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统 互可操作性和互用性 互可操作性是指实现互连的设备间和系统间的信息传送与沟通 互用性则是指不同生产厂家的性能类似的设备可以实现互相替换 现场设备的智能化 电网监控系统的 CAN 总线智能通信节点设计7 与自治性 现场总线技术的应用将传感测量 补偿计算 工程量处理与控制等功能分 散到现场设备中完成 仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能 并可随时诊断设 备的运行状态 系统结构的高度分散性 现场总线己构成一种新的全分散性控制系统 的体系结构 从根本上改变了原有 DCS 系统集中与分散相结合的控制体系 简化了系 统结构 提高了可靠性 对现场环境的适应性 工作在生产现场前端 作为工厂网络 底层的现场总线 是专门为现场环境而设计的 可支持双绞线 同轴电缆 光缆 射 频 红外线和电力线等 具有较强的抗干扰能力 能采用两线制实现通信与供电 并 可满足本质安全防爆要求等 1 5 2 现场总线的优点 节省硬件资源与投资 由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行多 种传感 控制 报警和计算功能 因而可减少变送器的数量 不再需要单独的调节器 计算单元等 也不在需要 DCS 系统的信号调理 转换 隔离等功能单元及其复杂接线 还可以用工控 PC 机作为操作站 从而节省了硬件投资 并可减少控制室的占地面积 节省安装费用 现场总线系统的接线十分简单 一对双纹线或一条电缆上通常可挂多 个设备 因而电缆 端子 槽盒 桥架的用量大大减少 连线设计与接头校对的工作 量也大大减少 9 当需要增加现场控制设备时 无需增设新的电缆 可就近连接在原有 的电缆上 既节省了投资 又减少了设计和安装的工作量 节省维护开销 由于现场 控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力 并通过数字通信将相关的诊断维护信息 送往控制室 用户可以查询所有设备的运行 诊断维护信息 以便早期分析故障原因 并快速排除 缩短了维护停工时间 同时由于系统结构简单化 连线简单而减少了维 护工作量 电网监控系统的 CAN 总线智能通信节点设计8 2 2 电网监控的控制器局域网总线 电网监控的控制器局域网总线 CANCAN 2 1 CAN 总线技术特点 CAN 总线 Control Area Network 控制局域网络 最初是由德国 Bosch 公司为汽 车内部的监控系统而设计的 世界上一些著名的汽车制造厂商 如 BENZ BMW PORSCHE ROLLS ROYCE 等都已经采用 CAN 总线来实现汽车内部控制系统与各检 测和执行机构间的数据通信 CAN 是一种有效支持分布式控制或实时控制的总线式串 行通信网络 具有物理层 数据链路层和应用层三层协议 CAN 总线专用接口芯片中 以固件形式集成了 CAN 协议的物理层和数据链路层功能 可完成对通信数据的成帧处 理 包括位填充 数据块编码 循环冗余校验 优先级判别等多项工作 CAN 总线传 播的形式进行通信 由于采用了许多新技术及独特的设计 与一般的通信总线相比 具有突出的可靠性 实时性和灵活性 其应用范围目前己不再局限于汽车行业 CAN 现已经形成国际标准 并已被公认为最有前途的现场总线之一 CAN 具有如下主要特性 1 CAN 为多主方式工作 网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其 它节点发送信息 而不分主从 通信方式灵活 且无需站地址等节点信息 利用这一 特点可方便地构成多机备份系统 2 CAN 网络上的节点信息可分为不同的优先级 可满足不同的实时要求 高 优先级的数据最多可在 134 S 内得到传输 3 CAN 采用无破坏性的基于优先权的总线仲裁技术 当多个节点同时向总线 发送信息时 优先级较低的节点会主动地退出发送 而最高优先级的节点可不受影响 地继续传输数据 从而大大节省了总线冲突仲裁时间 尤其是在网络负载很重的情况 下也不会出现网络瘫痪情况 4 CAN 只需通过报文滤波即可实现点对点 一点对多点及全局广播等几种方 式传输数据 无需专门 调度 5 CAN 的直接通信距离最远可达 l 0km 速率 5kbps 以下 通信速率最高可 达 1 Mbps 通信距离最长为 40m 6 CAN 上的节点数主要取决于总线驱动电路 可达 110 个 报文标识符口可 达 2032 种 CAN2 OA 而扩展标准 CAN2 OB 的报文标识符几乎不受限制 7 CAN 采用短帧结构 传输时间短 受干扰的概率低 具有极好的检错结果 8 CAN 的每帧信息都有 CRC 校验及其它检错措施 保证了数据出错率极低 9 CAN 的通信介质可以是双绞线 同轴电缆或光纤 选择灵活 10 CAN 节点在错误严重的情况时 具有自动关闭功能 以切断该节点与总线 电网监控系统的 CAN 总线智能通信节点设计9 的联系 使总线上的其它节点及其通信不受影响 抗干扰能力强 可靠性高 2 2 CAN 总线技术规范 由于 CAN 总线在不同领域内的应用和推广 故要求对其通信格式标准化 为此 1991 年 9 月 Philips Semiconductors 制定并发布了 CAN 技术规范 Version2 0 该技 术规范包括 A 和 B 两部分 2 0A 给出了 CAN 报文标准格式 2 0B 给出了标准的和扩 展的两种格式 1993 年 11 月 ISO 正式颁布了道路交通运输工具 数据信息交换 高 速通信控制器局域网 CAN 国际标准 ISO11898 2 2 1 CAN 总线的电气特性 CAN 总线的通信线路由两根导线组成 分别为 CANH 和 CANL 这两根导线也就 是 CAN 网络中的总线 网络中所有的节点都挂接在该总线上 并且都通过这两根导线 交换数据 2 2 2 CAN 总线的分层结构 CAN 按照开放系统互连 OSI 基本参考模式 IS07498 实现了一种简化的 OSI 模型 它只具有 OSI 七个层次中的两层 数据链路层和物理层 这两层一般固化在专 用的 CAN 总线接口芯片和微处理器中 CAN 总线系统的开发者在软件上主要进行应 用层的工作 1 数据链路层 按照 IEEE 802 2 和 802 3 标准 数据链路层又划分为 逻辑链路控制 LLC Logic LinkControl 和媒体访问控制 MAC Medium Access Control 在 CAN 技术规范 2 0A 版本中 LLC 和 MAC 子层的服务和功能被描述为 目 标层 和 传送层 逻辑链路控制 LLC 子层 LLC 子层的主要功能是 帧接收滤波 超载通告和恢复管理 1 帧接收滤波 在 LLC 子层开始的帧跃变是独立的 其自身操作与先前的帧跃 变无关 帧内容由标识符命名 标识符并不能指明帧的目的地 但描述数据的含义 每个接收器通过接收滤波确定此帧与其是否有关 2 超载通告 如果接收器内部条件要求延迟下一个 LLC 数据帧或 LLC 远程帧 则通过 LLC 子层开始发送超载帧 最多可产生两个超载帧 以延迟下一个数据帧或远 程帧 3 恢复管理 发送期间 对于丢失仲裁或被错误干扰的帧 LLC 子层具有自动 重发送功能 在发送成功完成前 帧发送服务不被用户认可 2 物理层 按照 IEEE 802 3 LAN 标准规范 物理层又划分为 电网监控系统的 CAN 总线智能通信节点设计10 1 物理媒体附属装置 PMA Physical Medium Attachment 实现总线发送 接收 的功能电路并可提供总线故障检测方法 2 媒体相关接口 MDI Medium Dependent Interface 实现物理媒体与媒体访问 单元 MAU Medium Access Unit 之间机械和电气接口 MAU 表示用于偶合节点至 发送媒体的物理层的功能部分 由 PMA 和 MDI 构成 3 物理信令 PLS Physical Signalling 实现与位表示 定时和同步相关的功能 位表示 定时确定了正常位时间 正常位时间二同步段 Tsyncseg 时间段 Tseg 1 和时间段 Tseg2 同步段对应一个系统时钟周期 时间段 1 由补偿传播 延迟的时间段和直接采样点前同步缓冲段组成 决定了定位周期内采样点的位置 一 位于时间段 1 的结束 时间段 2 提供采样点上的附加时间以计算后续位电平以及采样 点后的直接同步缓冲段 时间段 1 和时间段 2 由 CAN 控制器的 BTRO 和 BTR1 通过编 程决定 CAN 总线的同步也是由物理信令完成的 它将到来沿同其实际位定时进行比较 并通过同步适配位定时 同步包括硬同步和重同步两种 硬同步仅发生在报文的开始 硬同步后 位时间由每个定时逻辑单元从同步段重 新启动 因此 硬同步强迫引起硬同步的边沿处于重新启动位时间的同步段内 重同步发生在报文位流发送期间 以补偿个别 CAN 控制器振荡频率的变化以及由 于从一个发送器转至另一个发送器引入的变化 重同步的结果是时间段 1 被延长或时 间段 2 被缩短 这两个时间段的延长或缩短的总和上限由重同步跳转宽度给定 当引 起重同步沿的相位误差幅值小于或等于重同步跳转宽度编程值时 重同步的作用与硬 同步相同 当相位误差幅值大于重同步跳转宽度 且相位误差为正时 则时间段 1 延长 总数为重同步跳转宽度 当相位误差幅值大于重同步跳转宽度且相位误差为负时 则 时间段 2 缩短总数为重同步跳转宽度 2 3 CAN 总线的通信原理 通过对上述介绍 下面可以对 CAN 总线的组织和通信过程作一简单归纳 CAN 控制器只能在总线空闲状态期间启动发送过程 总线上的所有的控制器同步于帧起始 的前沿 这个过程由硬同步来完成 若有两个或更多的 CAN 控制器同时开始发送 总线访问冲突通过仲裁场发送期间 位仲裁处理方法予以解决 仲裁期间 每个进行发送的 CAN 控制器都将发送的位电平 与监控总线电平进行比较 任何发送一个隐性位而监视到一个显性位电平的 CAN 控制 器立即变成总线上较高优先权报文的接收器 而不破坏总线上的任何信息 每段报文 包括一个唯一的标识符和在报文中含描述数据类型的 RTR 位 标识符和 RTR 位最先 发送 标识符和 RTR 位对应二进制数值最低的报文具有最高的优先权 处于数据帧的 RTR 位为显性电平 因此数据帧比远程帧具有更高的优先权 电网监控系统的 CAN 总线智能通信节点设计11 对于每个数据帧存在唯一的发送器 从与其他 CAN 总线控制器兼容性的 考虑 由于使用标识符二进制位模式 ID 11111111XXXX X 表示任意电平位 这样 在 Basic CAN 方式下 可以使用的标识符数目为 2048 16 20320 帧起始 仲裁 场 控制场 数据场和 CRC 序列使用位填充技术进行编码 当正在发送的 CAN 控制器检测到 5 个连续的相同极性的位被发送 一个互补 填 充 位被插入到该发送位流中 当一个正在接收的 CAN 控制器检测到接收的上述五种 位场的位流中 具有 5 个相同极性的连续位 它将自动地删除下一个接收 填充 位 删除的填充位电平必须与先前位相反 否则一个填充错误被检测到并被标注 其余的位场和帧具有固定的形式 因而不使用位填充方法进行编码 解码 当发生 位错误 填充错误 形式错误或应答错误时 检测到出错条件的 CAN 控制器将发送一 个出错标志 出错标志在下一位开始发生 当检测到 CRC 错误时 出错标志在紧跟应 答界定符后的一位开始发送 除非其他一些出错条件的错误标志已经开始发送 出错 标志将破坏位填充或损坏固定形式的位场 位填充法则的破坏将影响检测出错条件的 任何 CAN 控制器 一个检测出错条件的认可型 CAN 控制器将发送一个认可出错标志 认可出错标志 不会中断在不同 CAN 控制器上的当前报文 但这类出错标志可能被其他控制器忽略 检测到出错条件后 认可型出错 CAN 控制器将等待具有相同极性的 6 个连续位 并在 检测到它们时 将它们理解为出错标志 发送出错标志后 每个 CAN 控制器都在监视总线直至检测到一个显性电平到隐性 电平的跳变 此时 每个 CAN 控制器就完成了其出错标志发送 并且所有 CAN 控制 器开始发送 7 个附加的隐性位 辨识数据帧或远程帧报文格式的方法是所有可检测的错误均可在报文发送时间内 被标识 因而使 CAN 控制器很容易组成对应报文的出错帧 并且初始化被破坏报文的 重新发送 如果 CAN 控制器监测到出错帧固定格式的任何偏离 它将发送一个新的出 错帧 一些 CAN 控制器要求借助于发送一个或更多超载帧来延迟下一个数据帧或远程帧 的发送 超载帧的发送必须起始于所等待间歇场的第一位 在期望的间歇场期间 重 新激活位显性位的超载帧的发送应在该事件后的一个开始 虽然超载帧和出错帧的格式相同 但对它们的处理却不同 在间歇场期间进行的 超载帧的发送不能初始化任何先前的数据帧和远程帧的重新发送 如果发送超载帧的 CAN 控制器监测到其固定格式的任何偏离 它将发送一个出错帧 需要指出的是 以上介绍的 CAN 总线的相对较为复杂的概念 说明了 CAN 的工 作原理和为什么能形成高效率和高可靠性现场总线网络的原因 推出 CAN 总线标准的 同时已经为其发展提供了强有力的技术和物质支持 有关厂家推出的 CAN 控制器芯片 和微处理器 如 Philips 的 PCX82C200 及其升级产品 SJA1000 和 80C592 可完成物理 电网监控系统的 CAN 总线智能通信节点设计12 层和数据链路层的全部功能 因此以上操作对 CAN 的设计者来说是透明的 设计者主 要考虑应用层的问题 只要通过相对简单的设计和编程就可能开发出适用的 CAN 总线 系统 电网监控系统的 CAN 总线智能通信节点设计13 3 3 CANCAN 总线智能通信节点设计总线智能通信节点设计 CAN 智能测控节点具有现场数据采集和控制及 CAN 总线通信功能 它可以通过 CAN 总线通信与监控站和其它 CAN 智能测控节点传送状态和各种参数 并接收来自 监控站的命令和数据来调整和改变控制状态 CAN 总线智能通信系统通常由多个节点 构成智能测控节点系统 包括一个主节点和若干个从节点 系统的总体框图如下图所 示 监控节点 CAN接口 CAN接口CAN接口 数字量输入采样数字量输入采样 120120 图图 3 13 1 系统结构框图系统结构框图 CAN 智能测控节点设计 采用 89C51 微处理器作为系统的控制核心 再扩展 CAN 通信接口 其中 CAN 通信控制器采用 Philips 公司生产的 SJA 1000 它与单片机 自接接口 电路简单 CAN 总线驱动器采用 PCA82C250 本方案具有编程灵活 通信 协议易扩展等特点 总体硬件设计结构图如下 89c51 微控制器 CAN总线通信模 块 外部环境 采样输入 外部环境输出 双绞 线 图图 3 23 2 硬件设计结构图硬件设计结构图 电网监控系统的 CAN 总线智能通信节点设计14 3 1 硬件电路设计 本系统采用了 Atmel 公司生产的 89C51 单片机 它含有 128 字节数据存储器 内 置 4K 的电可擦除 FLASH ROM 重复编程 大小满足软件系统设计 所以不必再扩展程序 存储器 3 1 1 微处理器基本系统电路原理图 微处理器基本系统电路原理图如下 图图 3 33 3 微处理器系统电路原理图微处理器系统电路原理图 电网监控系统的 CAN 总线智能通信节点设计15 图图 3 43 4 硬件实物图硬件实物图 在本系统中 除单片机本身需要复位外 外部扩展的 I O 接口电路等也需要复位 因此需要一个系统的同步复位信号 即单片机复位后 CPU 开始上电时 外部的电路一 定要同时复位好 以保证 CPU 有效地对外部电路进行初始化编程 图图 3 53 5 外部时钟方式电路外部时钟方式电路 89C51 内部有一个用于构成震荡期的高增益反相放大器 输入端为芯片引脚 XTAL1 输出端为引脚 XTAL2 这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容 就构成 一个稳定的自激振荡器 电路中的电容典型值通常选择为 30pF 左右 电网监控系统的 CAN 总线智能通信节点设计16 图图 3 63 6 按键电平复位电路按键电平复位电路 按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种 本设计中使用电平复位时通过 RST 端 和经电阻与电源 Vcc 接通而实现的 时钟脉冲选用 12MHz C 取 22uF R1 取 512 R4 取 1 5K 3 2 CAN 总线通信接口的控制和驱动 本方案中 采用 89C51 微处理器作为系统的控制核心 再扩展 CAN 通信接口 其 中 CAN 通信控制器采用 Philips 公司生产的 SJA1000 它与单片机自接接口 电路简单 CAN 总线驱动器采用 PCA82C250 本方案具有编程灵活 通信协议易扩展等特点 3 2 1 SJA1000 CAN 控制器 CAN 通信协议主要由 CAN 控制器完成 SJA1000 是适用于汽车和一般工业环境 控制器局域网 CAN 的高集成度独立控制器 具有完成高性能通信协议所要求的全 部必要特性 具有简单总线连接的 SJA1000 可完成物理层和数据链路层的所有功能 应用层功能可由微控制器完成 SJA1000 为其提供了一个多用途的接口 10 SJA1000 是一种独立的 CAN 总线控制器 PHILIPS 半导体公司将它作为 PCA82C200 CAN 控制器 Basic CAN 的替代产品 SJA1000 在原来的 Basic CAN 工 作模式上又增加了一种新的工作模式 Peli CAN 这种模式支持具有很多新特性的 CAN 2 0B 协议 可以通过时分频器中的 CAN 方式位来选择上作模式 本设计采用 的是 Peli CAN 模式 Basic CAN 和 Peli CAN 方式的区别是 在 Peli CAN 方式下 SJA1000 有一个重新设计的含有很多新功能的寄存器组 SJA1000 包含 PCA82C200 中的所有位 同时增加了一些新的功能位 SJA1000 的基本特性主要有 具有 64 字节长度的接收队列 符合 CAN2 0A 和 CAN2 0B 协议 16 个收发信息缓冲器 支持 11 位或 29 位标识符 支持多级信息缓 电网监控系统的 CAN 总线智能通信节点设计17 冲器结构 读 写访问的错误计数器 最近一次的误码寄存器 每一个 CAN 总线错误 的错误中断 由功能位定义的仲裁丢失中断 一次性发送 当错误或仲裁丢失时不重 发 只听模式 CAN 总线监听 无应答 无错误标志 支持热插拔 抗干扰软件驱 动位速检测 硬件禁 I F CLKOUT 输出 支持数据帧和远程帧的发送和接收 支持 满位比较 满位屏蔽和位屏蔽验收三种验收标识选择方式 两个验收标识寄存器支持 标准帧或扩展帧格式 波特率从 l0Kbps 1Mbps 可编程 图图 3 73 7 SJA1000SJA1000 硬件结构图硬件结构图 表表 3 13 1 SJA1000SJA1000 管脚排列管脚排列 符号引脚说明 AD7 AD0 2 1 28 23多路地址 数据总线 ALE AS3 ALE 输入信号 Intel 模式 AS 输入信号 Motorola 模式 CS4 片选输入 低电平允许访问 SJA1000 RD E 5 微控制器的 RD 信号 Intel 模式 或 E 使能信号 Motorola 模式 WR6 微控制器的 WR 信号 Intel 模式 或 RD WR 信号 Motorola 模式 CLKOUT7 SJA1000 产生的提供给微控制器的时钟输出信号 时钟信号来源于内部振荡器且通过编程驱动 时钟 控制寄存器的时钟关闭位可禁止该引脚 VSS18 接地 XTAL19 输入到振荡器放大电路 外部振荡信号由此输入 注 1 电网监控系统的 CAN 总线智能通信节点设计18 XTAL210 振荡放大电路输出 使用外部振荡信号时左开路输 出 MODE11 模式选择输入 1 Intel模式 0 Motorola 模式 VDD312 输出驱动的 5V 电压源 TX013 从 CAN 输出驱动器 0 输出到物理线路上 TX114 从 CAN 输出驱动器 1 输出到物理线路上 VSS315 输出驱动器接地 INT16 中断输出 用于中断微控制器 INT 在内部中断寄 存器各位都被置位时低电平有效 INT 是开漏输出 且与系统中的其它 INT 是线或 的此引脚上的低电 平可以把 IC 从睡眠模式中激活 RST17 复位输入 用于复位 CAN 接口 低电平有效 把 RST 引脚通过电容连到 VSS 通过电阻连到 VDD 可 自动上电复位 例如 C 1 F R 50K VDD218 输入比较器的 5V 电压源 RX0 RX119 20 从物理的 CAN 总线输入到 SJA1000 的输入比较器 支配 控制 电平将会唤醒 SJA1000 的睡眠模式 如 果 RX1 比 RX0 的电平高 就读支配 控制 电平 反之读弱势电平 如果时钟分频寄存器的 CBP 位被 置位 就旁路 CAN 输入比较器以减少内部延时 此 时连有外部收发电路 这种情况下只有 RX0 是激 活的 弱势电平被认为是高而支配电平被认为是低 VSS221 输入比较器的接地端 VDD122 逻辑电路的 5V 电压源 1 功能说明 CAN 控制模块的说明 CAN 的控制模块包括 接口管理逻辑 IML 发送缓冲 器 TXB 接收缓冲器 RXB RXFIFO 验收滤波器 ACF 位流处理器 BSP 位时序逻辑 BTL 和错误管理逻辑 EML 其中 接口管理逻辑解释来自 CPU 的命令 控制 CAN 寄存器的寻址 向主控制 器提供中断信息和状态信息 发送缓冲器是 CPU 和 BSP 位流处理器 之间的接口 能够存储发送到 CAN 网络上的完整信息 缓冲器有 1