Word版可编辑-开题报告基于AVR单片机的CAN总线通讯单元设计精心整理.doc

毕毕业业设设计计 论论文文 开开题题报报告告 题题 目 基于目 基于 AVR 单片机的单片机的 CAN 总线通讯单元设计总线通讯单元设计 院院 系 系 电气工程及自动化学院电气工程及自动化学院 专专 业业 测控技术与仪器测控技术与仪器 学学 生生 周学安周学安 学学 号号 090220326 班班 号号 0902203 指导教师指导教师 梁军梁军 开题报告日期开题报告日期 2013 年年 3 月月 28 日日 哈尔滨工业大学教务处制哈尔滨工业大学教务处制 2013 年年 3 月月 说 明 一 开题报告应包括下列主要内容 1 课题来源及研究的目的和意义 2 国内外在该方向的研究现状及分析 3 主要研究内容 4 研究方案及进度安排 预期达到的目标 5 为完成课题已具备和所需的条件和经费 6 预计研究过程中可能遇到的困难和问题 以及解决的措施 7 主要参考文献 二 对开题报告的要求 1 开题报告的字数应在 3000 字以上 2 阅读的主要参考文献应在 10 篇以上 其中外文资料应不少于三分之一 本学科 的基础和专业课教材一般不应列为参考资料 3 参考文献按在开题报告中出现的次序列出 4 参考文献书写顺序 序号 作者 文章名 学术刊物名 年 卷 期 引用起止页 三 如学生首次开题报告未通过 需在一周内再进行一次 四 开题报告由指导教师填写意见 签字后 统一交所在院 系 保存 以备检查 指导教师评语 指导教师签字 检查日期 哈尔滨工业大学本科毕业设计 论文 开题报告 目目 录录 1 课题来源及研究的目的和意义 1 2 国内外在该方向的研究现状及分析 1 2 1 CAN 总线技术简介 1 2 2 国内外研究现状 2 3 主要的研究内容 4 3 1 主要内容 4 3 2 本设计要求达到的技术要求 4 4 研究方案及进度安排 预期达到的目标 4 4 1 硬件设计 4 4 2 软件设计 7 4 3 验证方案 8 4 4 进度安排 9 4 5 预期目标 9 5 为完成课题已具备和所需的条件和经费 9 6 研究过程中可能遇到的困难和问题 以及解决的措施 9 7 主要参考文献 10 哈尔滨工业大学本科毕业设计 论文 开题报告 1 1 课题来源及研究的目的和意义 控制器局域网CAN Controller Area Net 总线是具有国际标准且性价比较高的现场 总线 相比于在测控系统中比较常用的RS485通讯总线组网具有许多优点 CAN总线在 通讯能力 可靠性 灵活性 易用性 传输距离 成本等方面有着明显优势 随着我国 工业及科技水平的不断提高 CAN总线技术比较成熟 已被广泛应用于各个自动化控制 系统中 AVR单片机是增强型内置FLASH的精简指令集CPU的高速8位单片机 1 其具 有价格低 功耗小 速度快 可靠性高等优点 把AVR单片机和CAN总线两者优势互相 结合 共同组成一个数据采集准确 通讯稳定可靠的通讯单元 在工业测量和控制领域 具有宽广的应用前景 通过本课题的设计工作 掌握数据通讯的基本原理和流程 掌握CAN总线工作原理 学习和理解电路设计基本方法 熟悉相关软硬件设计工具和调试方法 培养基本科研素 质和研发能力 2 国内外在该方向的研究现状及分析 早在 20 世纪 80 年代初 CAN 总线就开始发展起来 如今 CAN 总线已经得到广泛 成熟的应用 基于 AVR 单片机的 CAN 总线通讯单元很有应用前景 3 4 下面简单介绍 一下 CAN 总线通讯技术 再对基于单片机的 CAN 总线通讯单元国内外研究现状进行分 析 2 1 CAN 总线技术简介 20 世纪 80 年代初期 由于欧洲汽车工业发展发展的需要 最先由德国 Bosch 公司 提出 CAN 总线方案以解决汽车控制装置间的通信问题 当时 由于消费者对于汽车功 能的要求越来越多 而这些功能的实现大多是基于电子操作的 这就使得电子装置之间 的通讯越来越复杂 同时意味着需要更多的连接信号线 提出 CAN 总线的最初动机就 是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯 减少不断增加的信号线 于是 他们设计了一个单一的网络总线 所有的外围器件可以被挂接在该总线上 Bosch 公司 于 1986 年正式公布了这一总线 且命名为 CAN 总线 1987 年 Intel 公司生产出了首枚 CAN 控制器 82526 不久 Philips 公司也推出了 CAN 控制器 82C200 1993 年 CAN 成为国际标准 ISO11898 高速应用 和 ISO11519 低速应用 为促进 CAN 以及 CAN 协议的发展 1992 在欧洲成立了国际用户和厂商协会 CAN in Automation 简称 CiA 在德国 Erlangen 注册 CiA 总部位于 Erlangen CiA 提供服务包括 发布 CAN 的各类 技术规范 免费下载 CAN 文献资料 提供 CANopen 规范 DeviceNet 规范 发布 CAN 产品数据库 CANopen 产品指南 提供 CANopen 验证工具执行 CANopen 认证测试 开发 CAN 规范并发布为 CiA 标准 如今 CAN 接口已经被公认为微控制器 哈尔滨工业大学本科毕业设计 论文 开题报告 2 Microcontroller 的标准串行接口 应用在各种分布式内嵌系统 该协会已经为全球 应用 CAN 技术的权威 1 CAN 总线属于现场总线的范畴 它是一种支持分布式控制和实时控制的多主的异 步串行通信总线 有许多优点 具有优良的错误处理机制 可靠的数据传送性能 支持 差分收发 适合高噪声环境 具有较远的传输距离 在工业控制领域 在数据通信上要 求设备间可随意进行数据交换 通信能以广播方式进行 简单经济的硬件接口 通信线 尽量少 通信距离长 抗干扰能力强 可靠性高并能自动进行故障识别和自动恢复 在 以往的国内测控领域 由于没有更好的选择 大多采用 BITBUS 或 RS 485 作为通信总 线 而 CAN 总线作为设备级的现场总线 相比于 BITBUS 或 RS 485 作为通信总线具有 更高的可靠性和性价比 适于通信速度要求不高 小于 1Mbps 设备间数据交换量较 少 通信距离长 通信可靠性要求高的应用场合 CAN 网络上任何一个节点均可作为 主节点主动地与其它节点交换数据 CAN 网络节点的信息帧可以分出优先级 这对于 有实时性要求的控制提供了方便 CAN 的物理层及数据链路层有独特的设计技术 使 其在抗干扰以及错误检测等方面的性能均大大提高 适当的网关如 CAN 与 TCP IP 协议 的转换 可以将 CAN 信息转变为 Internet 信息的形式外传 或反过来通过这类网关把外 部网传来的信息转换为 CAN 信息的形式 实现远程控制 CAN 的上述特点使其成为诸 多工业测控领域中常用的现场总线 在许多领域都有广阔的应用前景和发展潜力 2 2 国内外研究现状 CAN总线是具有国际标准的现场总线 在现场总线领域中 CAN总线得到了计算机 芯片商的广泛支持 他们纷纷推出直接带有CAN接口的微处理器 MCU 芯片 带有CAN 的MCU芯片总量已经达到1亿3千万片 不一定全部用于CAN总线 5 因此在接口芯片技 术方面 CAN已经领先于FF PROFIBUS LONWORKS等其它所有现场总线 现场总 线标准及其技术日益成为国际自动控制领域关注的一大焦点 其原因是它改变了传统控 制系统的结构 形成了全新的网络集成分布式控制系统 在我国 现场总线已经发展到 推广应用阶段 中国已经成为各种现场总线激烈争夺的重要战场 因此研究现场总线技 术及其产品就显得尤为重要 目前 由于 CAN 总线的高速通信速率 高可靠性 连接方便 多主站 通讯协议 简单和高性能价格比等突出优点 深得许多工业应用部门的青睐 CAN 总线技术在汽 车电子控制系统 电梯控制系统 安全监控系统 医疗仪器 纺织机械 船舶运输 雷 达系统 导航系统和航天测控等方面均得到了广泛的应用 奔驰 型轿车采用的就是 CAN 总线系统 美国商用车辆制造商们也将注意力转向 CAN 总线 很多企业已将 CAN 作为内部总线应用在生产线和机床上 不仅如此 我国的煤矿 卫星中也应用了 CAN 总线技术 6 7 另外 根据国内外一些资料报道 CAN 技术已应用于家用电器和智 能楼宇以及小区建设中 如安防系统 抄表系统 家电控制等 它投资相对较少 每个 哈尔滨工业大学本科毕业设计 论文 开题报告 3 节点可以随机访问 通信速度完全满足要求 且在这类应用中数据交换量都很少 通过 CAN 与 TCP IP 协议的转换 可以使一个居室或一栋大楼的现场 CAN 信息转变为 Internet 的形式外传 或反过来通过这类网关把外部网传来的信息转换为 CAN 的形式 此即实现了所谓的远程控制 国内在 CAN 总线方面的研究与应用相比还存在比较明显的差距 以 CAN 总线在汽 车应用情况为例 8 差距体现在两个方面 其中一方面是 国内在自主研究和开发汽车 电子 CAN 网络方面尚处于试验和起步阶段 国内很多汽车还没有采用汽车总线设计 另一方面 国内汽车合资企业不少已采用 CAN 总线技术 但核心技术掌握在外商手中 在国外 CAN 总线出于其技术背景和来源于工业现场总线和计算机局域网这样非常成 熟的技术 现在已成为汽车总线的主流技术和标准 世界上很多著名的汽车制造厂商 如 Volkswagen 大众 BenZ 宝马 Porsche 保时捷 Rolls Royce 劳斯莱斯 等都已 经采用 CAN 总线来实现汽车内部控制系统的数据通信 CAN 总线在汽车电子系统中得 到广泛应用 已成为欧洲汽车制造业的主体行业标准 代表着汽车电子控制网路的主流 发展趋势 以前 在国内批量生产的轿车如上汽的桑塔纳 一汽的捷达和奥迪 神龙的 富康以及天汽的夏利等多属于中低档轿车 这些轿车都没有进行网络化设计 可以说以 前国内汽车在 CAN 总线技术的应用上是一个空白 知道最近几年 国内各汽车公司从 国外引进了一些电控技术含量较高的新车型 完全引进国外技术生产的奥迪 A6 车型已 于 2000 年起采用总线代替原有线束 帕萨特 B5 BORA 和 SIENA 等车型也都不同程 度地使用了总线技术 这些技术主要是以 CAN 总线技术为主 绝大部分应用在动力总 线系统中 其核心技术仍掌握在国外的厂商手中 而在绝大部分国产中低档汽车上 由 于技术上的因素和成本上的限制 仍采用传统的传输系统 我国总线技术处于试验和起 步阶段 CAN 总线技术已经开始引起国内一些汽车研发部门的关注 比如上海同济同 捷科技股份有限公司 已经开始了对汽车车身电子信息控制系统研制并取得一定的成果 他们应用 CAN 总线系统来控制管理整车车身电器 在现阶段已经初步形成了车身电器 信息通信交互式网络控制系统 与 CAN 总线相关的产品也日益丰富起来 如 PCI 总线和 CAN 总线接口卡 USB 总线和 CAN 总线接口 RS232 总线和 CAN 总线接口 RS485 总线和 CAN 总线接口 以太网和 CAN 总线接口 PC104 总线和 CAN 总线接口 CAN 总线中继器 基于 CAN 总线的数字量 模拟量输入输出模块 基于 CAN 总线的计数测频模块和 CAN 总线分析 仪等 CAN 总线于 1991 年 9 月形成技术规范 2 0 版本 包括 2 0A 和 2 0B 两部分 2 0A 给出了标准报文格式 11 位标识符 2 0B 给出了标准报文格式和扩展报文格式 29 位标 识符 两种报文格式 2 0B 完全兼容 2 0A 只要支持 CAN2 0B 则都可以兼容通讯 CAN 协议还在不断的完善之中 由于 CAN 是事件触发协议 当许多消息同时要求 发送时 结果竞争使低优先级消息发送的时间推后很多 甚至不能满足其时限的要求 为了提高总线利用率 增强 CAN 总线实时性的问题 2000 年一开始 ISO 的任务是迫 哈尔滨工业大学本科毕业设计 论文 开题报告 4 使有关的几个公司定义一项协议用于 CAN 报文的时间 触发传输 TTCAN 发展起来 9 它通过独占窗口的方式解决消息传送的确定性问题 提高总线利用率 满足一定的应用 发展要求 10 这个 CAN 的扩展现在正在硅片上进行 它不仅允许用 CAN 作时间等间 距传送报文和封闭控制循环 也允许在 x by wire 中使用 CAN 因为 CAN 的协议没有 变 但可以利用同样的物理总线发送时间触发的报文和事件触发的报文 目前流行的 CAN 总线器件有 2 大类 一类是独立的 CAN 控制器 如 SJA1000 MCP2515 等 另一类是带有片上 CAN 的微控制器 如与 51 单片机集成的 P8xC591 与 AVR 单片机集成的 AT90CAN32 64 128 以及与 ARM 集成在一起的 LPC2294 等 现阶段这两种方式都有不少应用 例如文献 11 就是独立 CAN 控制器的应 用 文献 12 就是集成 CAN 控制器的应用 虽然集成 CAN 总线控制器的设计硬件部分 比较简单 但其设计灵活性比较差 为了方便在今后能适应不同的工作需求 在国内外 大多设计中基本采用灵活方便的独立 CAN 控制器 基于 AVR 单片机的 CAN 总线通讯 单元作为一个通讯及信息处理模块 可能随着今后的工作需求 需要进行一些浮点数的 运算 或要求实时性较高时 AVR 微处理器不能满足要求 此时我们可以用 DSP 来代 替 AVR 部分 而通讯单元的其他电路我们还可以继续使用 有时为了工作的需求 我 们可能需要处理器部分控制多路 CAN 总线 可以把 AVR 用 FPGA 来代替 总之 采 用独立的 CAN 总线控制器更加灵活方便是现在应用的主要趋势 3 主要的研究内容 3 1 主要内容 1 CAN总线协议规范 学习CAN总线物理层协议和数据链路层协议 掌握CAN总线报文帧结构 总线仲裁 报文滤波 帧编解码 通信错误处理等关键技术 为CAN总线节点设计打下基础 2 CAN总线节点设计 1 基于AVR单片机处理器 设计实现CAN总线通讯单元设计 完成微处理器电路 CAN接口电路 供电和隔离电路等硬件设计 2 基于AVR单片机实现CAN总线节点接口控制和通讯控制 完成CAN总线通信参数设 置和数据收发功能 3 2 本设计要求达到的技术要求 1 CAN通道数量 1个 2 通信波特率 60Kbps 1Mbps之间可设置 3 通信距离 1Km 50Kbps 10m 1Mbps 哈尔滨工业大学本科毕业设计 论文 开题报告 5 4 CAN通讯接口采用DB9针型插座 5 支持CAN2 0A和CAN2 0B协议 4 研究方案及进度安排 验证方案 4 1 硬件设计 设计方案设计方案 基于上述研究现状 可以知道有两个方案可以选择 见图 1 方案一 方案二 图 1 两种设计方案图 方案选择方案选择 方案一的设计难度稍有增加 但灵活性好 为了便于今后工作中 能适 应不同的设计需求 因此优先选择方案一 微处理器选择 微处理器选择 ATmega系列属于AVR中的高档产品 它承袭了AT90所具有的特点 并在AT90的基础上 增强了更多的接口功能 而且在省电性能 稳定性 抗干扰性及 灵活性方面都更加周全和完善 因此选择AVR单片机型号ATmega128 13 特点如下 1 高性能 低功耗的AVR 8位处理器 2 先进的RISC结构 133条指令 大多数可以再一个时钟周期内完成 只需要两个 时钟周期的硬件乘法器 3 非易失性的程序和数据存储器 128K字节的系统内可编程Flash 具有独立锁定 位 可选择的启动代码区 4K字节的EEPROM 4K字节的内部SRAM以及多达64K字节 的优化的外部存储器空间 CANCAN控制器选择控制器选择 带有SPI接口的独立CAN控制器MCP2515与单片机与单片机连接是 通过标准串行外设接口SPI来实现的 并且它包含3个发送缓冲器和2个接收缓冲器 减 少单片机负担 但考虑价格因素且SJA1000就完全满足设计要求 再考虑到该电路板面 积较小 采用PHILIPS公司的SJA1000T 14 它的体积是SJA1000的约三分之一 SJA1000T CAN协议控制器性能如下 1 和PCA82C200独立CAN控制器电气 引脚兼容 2 扩展的接收缓冲器 64字节先进先出FIFO 3 支持CAN2 0A B协议 4 同时支持11位和29位识别码 5 位速率可达1Mbits s 6 可读 写访问的错误计数器 哈尔滨工业大学本科毕业设计 论文 开题报告 6 7 可编程的错误报警限制 8 最近一次错误代码寄存器 9 对每一个CAN总线错误的中断 10 具体控制位控制的仲裁丢失中断 11 单次发送 无重发 12 只听模式 无确认无活动的出错标志 13 验收滤波器扩展4字节代码4字节屏蔽 14 自身信息接收 自接收请求 15 24MHz时钟频率 16 对不同微处理器的接口 17 可编程的CAN输出驱动器配置 18 增强的温度适应 40 125oC CAN驱动器选择驱动器选择 CAN驱动器TJA1050 15 与82C250相比 降低了信号的电磁辐射 EMI 总线节点数增加 可以再待机模式下关闭发送器 输入电平与3 3V器件兼容 等优点 因此选择CAN驱动器TJA1050 其具体指标如下 1 与 ISO11898 标准完全兼容 2 高速率 最高达 1Mbps 3 总线与电源及地之间的短路保护 4 待机模式下 关闭发送器 5 由于优化了输出信号 CANH 和 CANL 之间的耦合 降低了信号电磁干扰 EMI 6 具有强电磁干扰下 宽共模范围的差动接收能力 7 对于 TXD 端的显性位 具有超时检测能力 8 未上电的节点对总线无影响 9 总线至少可连接 110 个节点 10 输入电平与 3 3V 器件兼容 基于AVR单片机的CAN总线通讯单元的硬件设计如下图2所示 哈尔滨工业大学本科毕业设计 论文 开题报告 7 AVR单片机 CAN控制器 SJA1000T CAN发送 接收器 82C250 复位 电源 CAN H CAN L 图 2 基于 AVR 单片机的 CAN 总线通讯单元的硬件设计 硬件主要包括AVR单片机 CAN协议控制器 CAN驱动器 复位电路 和电源5部 分 1 CAN总线通信的控制程序装载在AVR中 完成对CAN接口部分电路的初始化 工 作模式设定 控制数据的发送与接收和各种CAN的实时应答处理任务等 2 CAN协议控制器实现CAN通信数据链路层协议功能 3 CAN驱动器实现CAN通信物理层协议功能 4 复位部分用于AVR和CAN协议控制器的电路手动复位 5 电源部分用于对各电路部分的供电 4 2 软件设计 CAN 的通讯软件的设计是本系统软件设计的核心 主要包括 CAN 通道的初始化 CAN 报文的发送和接收 CAN 通道异常情况处理等 1 CAN 通道初始化流程图 如图 3 所示 哈尔滨工业大学本科毕业设计 论文 开题报告 8 开始 进入复位 请求模式 设置时钟分频寄存器 设置验收码和屏蔽码 设置总线时序寄存器 设置输出寄存器 进入工作模式 结束 图 3 CAN 通道初始化流程图 2 CAN 报文发送及接受流程图 如图 4 所示 由于CAN通信速率相对于其上层微处理器的速率较慢 故接收采用查询方式完全可 以满足应用要求 接收主要考虑了两种报文 数据帧和远程帧 报文发送主要是将报文 标识符和报文数据写入CAN控制器 再通过设置命令寄存器启动一次发送 具体程序思想是 程序一直等待接受数据 若当接收到给定数据后 把数据进行变 换后 自动发送回去 当接收到远程帧的话 把请求的数据发送 这样我们就可以实现 CAN总线通讯节点的测试 哈尔滨工业大学本科毕业设计 论文 开题报告 9 开始 初始化 接收缓冲区有数 据 接收帧格式 Y 是远程帧 释放接收缓冲区 Y 准备发送数据 接收数据 N 1 1 读取SJA1000T状态寄存器 查询发送缓冲区是否锁 定 将报文写入发送缓冲区 N 启动发送 发送完成 Y N Y N 2 2 图 4 CAN 报文发送及接受主流程图 4 3 验证方案 验证放案见图 5 所示 周立功CAN卡 PCI 9820 基于AVR单片机 CAN总线通讯单元 CAN H CAN L 图 5 验证方案图 按图 5 所示 把设计好的基于 AVR 单片机 CAN 总线通讯单元与周立功 CAN 卡 哈尔滨工业大学本科毕业设计 论文 开题报告 10 PCI 9820 进行通讯测试 16 用周立功 CAN 卡向通信单元发送一个数据 通信单元 收到数据后 把数据变换后再发送到回周立功 CAN 卡 以此来验证通讯单元的的真确 性 验证设计主要用到了 PCI 9820 PCI 9820 非智能两通道 CAN 接口卡是具有高性价 比的 CAN 总线通讯接口卡 该产品采用标准 PCI 接口 能让计算机方便的连接到 CAN 总线上 实现 CAN2 0B 协议 兼容 CAN2 0A 的连接通讯 PCI 9820 接口卡配备两通 道逻辑独立 CAN 接口 使得在开发应用中更显方便和灵活 每个通道光电隔离 保护 计算机避免地环流的损坏 增强系统在恶劣环境中使用的可靠性 PCI 9820 非智能 CAN 接口卡采用 WDM 驱动程序 支持 WIN98 WIN2000 和 WinXP Linux 操作系 统 同时 提供功能完善的 ZLGCANtext 通用测试软件 可直接执行 CAN 帧报文的接 收 发送 监控等功能 根据以上 PCI 9820 特点 我们可以把它与所设计的基于 AVR 单片机 CAN 总线通 讯单元连接通讯 验证所设计 CAN 通讯单元能否正常合理的通讯 4 4 进度安排 时间段进度安排 2013 2 25 2013 3 20CAN 协议研究 总体方案设计 2013 3 21 2013 5 1完成硬件设计原理图设计 PCB 绘制 投板 2013 4 21 2013 5 1进行单片机主控程序设计和开发 2013 5 2 2013 5 25调试及验证 2013 5 26 2013 6 4完善设计和整理资料 完成设计开发文档编写 2013 6 5 2013 6 30整理设计思路 撰写论文 准备 4 5 预期目标 1 所设计基于 AVR 单片机的 CAN 总线通讯单元能实现技术要求且通讯正常 2 通过完成基于 AVR 单片机的 CAN 总线通讯单元设计 学习掌握 CAN 总线协议 AVR 单片机编程 PCB 绘制方法 调试方法等 为自己以后的读研积累良好的基础 5 为完成课题已具备和所需的条件和经费 具备所需的 Altium Designer IAR 等应用软件 PCI 9820 及相对应软件 配置良好 的电脑 各种测试仪器等实验环境 6 研究过程中可能遇到的困难和问题 以及解决的措施 研究过程中可能遇到的问题 1 所设计 CAN 总线通讯单元抗干扰差 外界干扰可能影响通讯准确性 解决办法 是在设计系统板时把 CAN 总线控制器 SJA1000T 的 TX0 和 RX0 通过高速光耦 6N137 分别于 TJA1050 的 TXD 和 RXD 相连 提高其抗干扰能力 哈尔滨工业大学本科毕业设计 论文 开题报告 11 7 主要参考文献 1 包秀荣 王楠 AVR 单片机的特点及其应用 内蒙古科技与经济 J 2004 6 51 52 2 张涛 赵向阳 基于 AVR 单片机 CAN 总线设计 现代电子技术