CAN总线的双机冗余系统设计

本科生课程设计（论文） I 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 本科生课程设计（论文） II 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号学生姓名专业班级 课程设计 （论文）题 目 CAN总线的双机冗余系统设计 课程设计（论文）任务 课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数 实现功能实现功能 CAN 总线的双机冗余系统设计，使在出现故障时能自动切换，保证系统安全、稳定 运行。设计硬件包括总线控制器、总线收发器及 ATMEL 系列单片机及切换逻辑等。软 件采用汇编语言或 C 语言，并调试与分析。 设计任务及要求设计任务及要求 1、确定设计方案，画出方案框图。 2、冗余系统硬件设计，包括元器件选择。 3、画出硬件原理图。 4、绘出程序流程图，并编写初始化、接收及发送程序。 5、要求认真独立完成所规定的全部内容；所设计的内容要求正确、合理。 6、按学校规定的格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。 技术参数技术参数 1、符合 CAN2.0B 规范； 2、40 米内最高可达 1Mbit/s；（设计选定传输速率为 125K bit/s） 3、可扩充 110 个节点； 进度计划 1、布置任务，查阅资料，确定系统设计方案（2 天） 2、系统硬件设计及模块选择（3 天） 3、系统软件设计及编写功能程序及调试（3 天） 4、撰写、打印设计说明书（1 天） 5、验收及答辩。 （1天） 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 本科生课程设计（论文） III 摘 要 CAN 总线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。 随着功能强大的单片机在控制领域应用的不断深入,容错控制系统也在不断地 发展,在一些特定的场合下,如在航空航天、军事、铁路、石油、化工、电力等重 要部门和在恶劣工作环境下工作的计算机控制系统,对系统安全性、可靠性、可用 性的要求更高。双冗余系统的两个模块同时执行一样的操作,在其中一个模块出现 故障的时候,可以自动判断切换,以保证系统稳定、可靠、不间断的工作。双冗余 系统不仅有较高的可靠性,而且有很高的安全性,因此在控制领域中可广泛应用。 关键词：CAN 总线；单片机；双冗余系统； 本科生课程设计（论文） IV 目 录 第 1 章 绪论.1 1.1 CAN 总线的发展 .1 1.2 CAN 通信特点 .1 1.3 CAN 总线的应用 .2 第 2 章 课程设计的方案.3 2.1 系统整体结构 .3 2.2 系统设计方案选择.4 2.2.1 主控机的选择.4 2.2.2 现场总线收发器选择.4 2.2.3 现场总线控制器选择.5 第 3 章 系统硬件设计.6 3.1 单片机最小系统设计.6 3.2 总线控制器设计.7 3.3 总线收发器设计.8 3.4 总体连接图.9 第 4 章 软件设计.10 4.1 主程序流程图 .10 4.2 接收中断服务程序流程图.11 4.3 系统程序.13 第 5 章 课程设计总结.16 参考文献.17 本科生课程设计（论文） 1 第 1 章 绪论 1.1 CAN 总线的发展 CAN (Controller Area Network) 是现场总线的一种，即控制器局域网，CAN 是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，是由德国 Bosch 公司为 汽车的监测和控制系统而设计的, 目前 CAN 总线规范已被国际标准化组织 ISO 制订为国际标准 ISO11898，并得到了 Motorola，Intel，Philips 等大半导体器件 生产厂家的支持，迅速推出各种集成有 CAN 协议的产品，用于汽车内部检测部 件与执行部件间的数据通讯。但 随 着 时 间 的 发 展 ，其应用范围已不再局 限于汽车工业，仅在国内，其应用已遍及过程控制、机械工业、智能建筑、智能 电器、化学工业、码头货运、分布管理等领域，并且得到了快速发展。CAN 总线 已形成国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一 。 1.2 CAN 通信特点 与其它同类技术相比，CAN 在可靠性、实时性、和灵活性方面具有独特的技 术优势，其主要技术特点为： （1）CAN 总线上任一节点均可在任意时刻主动地向其它节点发起通信，节 点不分主从，通信方式灵活。 （2）可将 CAN 总线上的节点信息，按对实时性要求的紧急程度，分成不同 优先级，最高优先级的数据可在最多 134s 内得到传输，以满足控制信息的通信 要求。 （3）CAN 采用载波监听堕落访问、逐位仲裁的非破坏性总线仲裁技术。一 是先听再讲，二是当多个节点同时向总线发送报文而引起冲突时，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的继续传输数据，从而 大大的节省了总线冲突仲裁时间。 （4）CAN 的直接通信距离最远可达 10Km（速率 5Kb/s 以下） ；通信速率最 高可达 1Mbps（此时通信距离最长为 40m） 。 （5）CAN 上的节点数主要决定于总线驱动电路，目前可达 110 个，报文标 示符可达 2032 种（CAN2.0A） ，而扩展标准（CAN2.0B）的报文标识符几乎不受 限制。 （6）采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。 （7）CAN 节点中均设有出错检测、标定和自检的强有力措施。出错检测的 本科生课程设计（论文） 2 措施包括发送自检、循环冗余码检验、位填充和报文格式检查。因而数据出错率 低。 （8）CAN 总线的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光线，选择灵活。 1.3 CAN 总线的应用 随着汽车电子技术的发展，消费者对于汽车功能的要求越来越多，汽车上所 用的电控单元不断增多，电控单元之间信息交换的需求，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，这就促进了车用总线技术的 发展。CAN 总线的出现，就是为了减少不断增加的信号线，所有的外围器件都 可以被连接到总线上 由于 CAN 总线具有可靠性高、实时性好、成本合理等优点， 逐渐被应用于如船舶、航天、工业测控、自动化、电力系统、楼宇监控等其他领 域中。 电量采集及计量系统是一个较新的领域，涉及的专业多，系统管理的计量点 数量庞大。系统包括数十个变电站，数百多个计量点，应用最先进的计算机网络 通信和控制技术，采用分层、分布、开放型结构，充分考虑了系统功能的全面性、 实用性，实现变电站电能量的自动采集、传输、存储、分析、计费、管理、监控 和 WEB 发布功能。目前在局域网上的用户通过 IE 浏览器即可浏览该系统采集 的各厂站的电能量数据；可了解到每天各市各县的供电量；可全面掌握电子式电 能表的各种运行参数；可了解到各厂站每天的母线不平衡率、主变线损、全站线 损情况。同时该系统可与全市的大用户负荷管理系统接口，可进一步了解到各联 络线线损和专线线损情况。系统通过当地移动通讯部门，将手机卡安装在用户端 加装的电量采集终端内，利用无线通讯技术和网络，随时采集用户计费表的表码、 电流、电压、功率、失压记录等各种运行数据，实现了远程自动抄表、数据对比 分析。如果用户端有窃电行为，预设的报警功能可及时提醒。 本科生课程设计（论文） 3 第 2 章 课程设计的方案 2.1 系统整体结构 本系统以 MSP430F149 单片机作为主控机,设计了一种基于 CAN 总线的双机 冗余系统的设计方案，防止在其中一套系统出现故障时，另一套系统能立即启动， 代替工作。总体结构是通过单片机连接总线控制器、总线收发器、总线切换器， 进行数据传递并控制工作。 本方案以 MSP430F149 单片机作为主控核心，与 CAN 总线控制器 SJA1000 完成通信协议。CAN 总线收发器 TJA1050、总线切换器、总线控制器等模块组成 核心主控制模块。 总线切换器进行主站从站工作的切换，使当系统发生故障时, 冗余配置的部件介入并承担故障部件的工作,由此减少系统的故障时间。系统设计 的总体方框图如图 2.1 所示。 图 2.1 为总体框图 被控对象 执行机构 数据总线 地址总线 控制总线 总线切换器总线切换器 MSP430F149MSP430F149 SJA1000SJA1000 TJA1050收发器TJA1050收发器 CAN总线 本科生课程设计（论文） 4 2.2 系统设计方案选择 根据上述系统要求，本系统应由主控制器、现场总线收发器、现场总线控制 器、上位机等几部分组成。主控机和执行器的选型关系到系统的实用性、经济性 和可靠性等方面，因此器件的选型显得尤为重要。下面依次对各个组成部分进行 选择。 2.2.1 主控机的选择 常用的主控机是方案一中的单片机，但本次课程设计，考虑到节约成本，方 便简单等方面的综合因素，选用方案二中的单片机作为主控制器。考虑到本系统 程序部分较大，而且要求经济实用，处理速度快，综合考虑选择方案二。 方案一：采用 AT89C51 单片机作为主控制器，AT89C51 片内存储器采用闪速 存储器，使程序写入更方便；芯片尺寸小，使整个硬件电路更小。此外价格低廉、 性能比较稳定，CPU 具有 8K8ROM、2568RAM、2 个 16 位定时计数器、4 个 8 位 I/O 接口。AT89C51 是一种低功耗、低电压、高性能的 8 位单片机。 方案二：采用 MSP430F149 单片机作为主控机。MSP430F149 具有低成本和超 低功耗的特点，闪存高达 16KB，具有通用串行通讯接口和 10 位 ADC，处理速度 极快。MSP430F149 是一种 16 位处理器单片机，与 8 位单片机相比占绝对优势。 2.2.2 现场总线收发器选择 总线的一个非常重要 的特点是它对多通信介质的支持 。CAN 总线可以根据 不同的现场环境选择不同的收发器和介质。在本次课程设计中，要求总线连接 110 个节点，速率达到 1Mbps，但是由于 TJA1050 在待机模式下关闭发送器和过 热保护等更加完善的功能，所以本次课程设计中的现场总线收发器，选择方案一， 即 TJA1050 总线收发器。 方案一：TJA1050 收发器。TJA1050 收发器是 Philips 公司生产的、用以替 代 PCA82C250 的高速的 CAN 总线收发器。该器件提供了 CAN 控制器与物理总 线之间的接口以及对 CAN 总线的差动发送和接收功能。TJA1050 与 ISO11898 标 准完全兼容，具有过热保护，总线与电源及地之间的有短路保护功能。 方案二：PCA82C250/251 收发器。PCA82C250/251 收发器是协议控制器和物 理传输线路之间的接口。此期间对总线提供差动发送能力，对 CAN 控制器提供 差动接收能力，可以在汽车和一般的工业应用上使用。PCA82C250/251 收发器完 本科生课程设计（论文） 5 全符合 ISO11898 标准高速率，最高可达到 1Mbps，可连接 110 个节点，工作温 度范围为-40125。 2.2.3 现场总线控制器选择 按照本次课程设计的具体要求，并且考虑到成本以及安全性能，本次课程设 计的总线控制器选择方案一，即 SJA1000 控制器。 方案一：82C200 总线控制器。有 PAC82C200 和 PCF82C200 两种类型。前 者的使用温度范围为-40+125，适用于汽车及某些军用领域；后者适用于一般 工业领域，温度范围是-4080。82C200 具有完成高性能通信协议所要求的必 要特性。通过简单地连接即可完成 CAN 总线协议物理层和数据链路层的所以功 能，应用层由微控制器完成。 方案二：SJA1000 总线控制器。SJA1000 是一种独立控制器，用于汽车和一 般工业环境中的局域网络控制。它是 Philips 公司的 PCA82C200CAN 的替代产品。 而且，它增加了新的工作模式，并且这种模式支持具有很多新特点的 CAN2.0B 协议。 按照本次课程设计的具体要求，并且考虑到成本以及安全性能，本次课程设 计的总线控制器选择方案一，即 SJA1000 控制器。 。 本科生课程设计（论文） 6 第 3 章 系统硬件设计 3.1 单片机最小系统设计 MSP430 系列单片机是美国德州仪器（TI）1996 年开始推向市场的一种 16 位超低功耗单片机，其中包括一系列部件，它们由 MSP430 单片机的 CPU，以及 针对不同的应用而提供的外围模块组成。MSP430F149 具有低成本和超低功耗的特 点，闪存高达 16KB，具有通用串行通讯接口和 10 位 ADC，处理速度极快。 MSP430F149 是一种 16 位处理器单片机，与 8 位单片机相比占绝对优势。MSP430 系列单片机具有 16 位 RISC 结构，运算能力较强，并具有丰富的片内外设，具有 非常广泛的应用范围。 MSP430F149 单片机的主要特性有以下几点： 低电源电压范围：1.83.6V. 超低功耗：2.5 4KHz,2.2V；280 1MHz,2.2V。 5 种节电模式：LPM0LPM4，其中 LPM4 耗电最省，仅为 0.1。 从等待方式唤醒，时间小于 6。 16 位 RISC 结构，125ns 指令周期。 基本时钟模块配置：高速晶体（最高 8MHz） ；低速晶体（32KHz） ；数字 控制振荡器 DCO。 配合外部期间可构成单斜边 A/D 转换器。 12 位 200ksps 的 A/D 转换器，自带采样保持。 内部温度传感器。 具有 3 个捕获/比较寄存器的 16 位定时器 Timer_A，Timer_B。 两通道串行通信接口可用于异步或同步模式。 6 个 8 位并行端口，且 2 个 8 位端口有中断能力。 硬件乘法器。 多达 60KB Flash 和 2KB RAM。 串行在系统编程。 保密熔丝的程序代码保护。 单片机的最小系统是指单片机能正常工作所必须的外围元件，主要可分成复 位电路和时钟电路。MSP430F149 单片机最小系统如图 3.1 所示。 本科生课程设计（论文） 7 图 3.1 为单片机最小系统 3.2 总线控制器设计 SJA1000 总线控制器是一种独立控制器，用于汽车和一般工业环境中的局域 网络控制。它是 Philips 公司的 PCA82C200CAN 的替代产品。而且，它增加了新 的工作模式，并且这种模式支持具有很多新特点的 CAN2.0B 协议。 SJA1000 的控制模块由接口管理逻辑，发送缓冲器，接收缓冲器，验收滤波 器，位流处理器位时序逻辑，错误管理逻辑等部分组成。其 SJA1000 接口电路如 图 3.2 所示。 本科生课程设计（论文） 8 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:25-Dec-2013Sheet of File:E:利利利利利利利利利利利利利利利利利利利利利利利利利利.ddbDrawn By: TXD RXD Vref VCC CanH CanL RS GND TJA1050 R347K R4 120 R1 390 R2 390 1 2 3 4 5 6 7 8 VCC CANH CANL TX0 TX1RX0 图 3.2 为 SJA100 控制器 3.3 总线收发器设计 TJA1050 收发器是 Philips 公司生产的、用以替代 PCA82C250 的高速的 CAN 总线收发器。该器件提供了 CAN 控制器与物理总线之间的接口以及对 CAN 总线的 差动发送和接收功能。TJA1050 与 ISO11898 标准完全兼容，具有过热保护，总线 与电源及地之间的有短路保护功能。 引脚S用于选定TJA1050的工作模式。有两种工作模式可供选择：高速和静音。 如果引脚S接地，则TJA1050进入高速模式。当S端悬空，其默认工作模式也是高 速模式。高速模式也是TJA1050的正常工作模式。如果引脚S接高电平，则 TJA1050进入静音模式，在这种模式下，发送器被关闭，器件的所有其它部分仍 继续工作。该模式可以防止由于CAN控制器失控而造成网络阻塞。TJA1050接口电 路如图3.3所示。 图 3.3 为 TJA1050 接口电路 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:25-Dec-2013Sheet of File:E:利利利利利利利利利利利利利利利利利利利利利利利利利利.ddbDrawn By: AD0 AD1 AD2 AD3 AD4 AD5 AD6 AD7 CS ALE/AS WR (RD)/E CLKOUT INT TX0 TX1 RX0 RX1 MODE Vdd1 Vdd2 Vdd3 Vss1 Vss2 Vss3 XTAL1 XTAL2 RST SJA1000 C1 30pF C2 30pF Y1 12MHz VCC RSTCAN P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 P4.0 ALE WR RD P1.0P1.0 TXD RXD Vref 本科生课程设计（论文） 9 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:26-Dec-2013Sheet of File:C:Users利利Desktop利利利利利利利.ddbDrawn By: AD 0 AD 1 AD 2 AD 3 AD 4 AD 5 AD 6 AD 7 CS ALE/AS WR (RD )/E CLK OUT INT TX 0 TX 1 RX 0 RX 1 MO DE Vdd1 Vdd2 Vdd3 Vss1 Vss2 Vss3 XTAL1 XTAL2 RST SJA 1000 TX D RX D Vref VC C CanH CanL RS GN D TJA 1050 C130pF C230pF Y1 12M Hz VC C R347K R4 120 R1 390 R2 390 1 2 3 4 5 6 7 8 VC C RSTCAN DVcc 1 P6.3 2 P6.4 3 P6.5 4 P6.6 5 P6.7 6 NC 7 XIN 8 XOUT/TCLK 9 NC 10 NC 11 P1.0/TACLK 12 P1.1/TA0 13 P1.2/TA1 14 P1.3/TA2 15 P1.4/SM CLK 16 AV cc 64 DV ss 63 AV ss 62 P6.2 61 P6.1 60 P6.0 59 RST/NMI 58 TCK 57 TM S 56 TD 1 55 TD 0/TD1 54 XT2IN 53 XT2OUT 52 P5.7/TB outH 51 P5.6/ACLK 50 P5.5/SMC LK 49 P1.5/TA0 17 P1.6/TA1 18 P1.7/TA2 19 P2.0/ACLK 20 P2.1/TAIN CLK 21 P2.2/CAO UT/TA0 22 P2.3/CA0/TA1 23 P2.4/CA1/TA2 24 P2.5/Rosc 25 P2.6 26 P2.7/TA0 27 P3.0/STE0 28 P3.1/SIMO 0 29 P3.2/SOM I0 30 P3.3/UCLK0 31 P3.4/UTX D0 32 P3.5/URXD0 33 P3.6 34 P3.7 35 P4.0/TB0 36 P4.1/TB1 37 P4.2/TB2 38 P4.3 39 P4.4 40 P4.5 41 P4.6 42 P4.7/TBCLK 43 P5.0 44 P5.1 45 P5.2 46 P5.3 47 P5.4/MCLK 48 MSP430F149 S1 8M Hz C1 C2 C3 R1 32.768K 3.3V P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 P4.0 ALE WR RD P1.0P1.0 CA NH CA NL DIR 1 A0 2 A1 3 A2 4 A3 5 A4 6 A5 7 A6 8 A7 9 GN D 10 B0 18 B1 17 B2 16 B3 15 B4 14 B5 13 B6 12 B7 11 OE 19 VC C 20 A 7CH 245 P2.0 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 P2.7 P1.9 P2.1 VC C 3.4 总体连接图 如图 3.4 为器件总体连接图，其中的连线在 protel 中可以用网络标号代替， 更加简洁明了。 图 3.4 为总体连接图 本科生课程设计（论文） 10 第 4 章 软件设计 4.1 主程序流程图 如图 4.1 为主程序流程图。系统开始复位后，MSP430 单片机初始化，开始正 常工作后，如果出现故障，则立刻进行冗余切换。当遇到中断时，马上去处理中 断，然后再继续执行任务。 如图 4.1 为主程序流程图 系统复位 处理器初始化 CAN控制器初始化 有故障？ 冗余切换 有中断？ 处理中断 其他任务 Y N Y N 本科生课程设计（论文） 11 4.2 接收中断服务程序流程图 单片机初始化完成后，在总线上发送询问帧，若有主机在运行，则置当前机 为主机。获得三总线的控制权和使用权。若两机同时接受到信号，则根据 CAN 总线仲裁协议，其中一个回去的优先权，使它的询问帧发送成功。若发送询问帧 后无反应，则认为出现故障。如图 4.2。 开始 判断帧类型 询问帧 判断主从机 延时 发送询问帧 发送应答 置网上有从机标志 返回 主机 从机 本科生课程设计（论文） 12 图 4.2 接收中断服务程序流程图 单片机初始化完成后，在总线上发送询问帧，若有主机在运行，则置当前机 为主机。获得三总线的控制权和使用权。若两机同时接受到信号，则根据 CAN 总线仲裁协议，其中一个回去的优先权，使它的询问帧发送成功。若发送询问帧 后无反应，则认为出现故障。 开始 判断帧类型 对方报告故障帧 判断主从机 启动报警 主机工作 清从机标志 取得三总线使用权 返回 从机 主机 本科生课程设计（论文） 13 4.3 系统程序 CAN 初始化程序： void init_can()large unsigned int data i; for (i=0;i512;i+) _nop_() con_reg=ox41; for(i=0;i512;i+) _nop_() cpu_inter_reg=ox41; clk_out_reg=ox30; bus_config_reg=0; g_m_s_reg0=oxff; g_m_s_reg1=ox1f; g_m_e_reg0=oxff; g_m_e_reg1=oxff; g_m_e_reg2=oxff; g_e_s_reg3=oxff; m15_m_reg0=oxff; m15_m_reg1=ox1f; m15_m_reg2=oxff; m15_m_reg3=oxff; tim0_reg=ox87; tim1_reg=oxc8; mesg_reg10=ox55; mesg_reg20=ox55; mesg_reg30=ox55; mesg_reg40=ox55; mesg_reg50=ox55; mesg_reg60=ox55; mesg_reg70=ox55; mesg_reg80=ox55; 本科生课程设计（论文） 14 mesg_reg90=ox55; mesg_rega0=ox55; mesg_regb0=ox55; mesg_regc0=ox55; mesg_regd0=ox55; mesg_rege0=ox55; mesg_regf0=ox55; mesg_reg16=ox88; mesg_reg12=oxf3; mesg_reg13=0; mesg_reg14=0; mesg_reg15=0; mesg_reg10=ox95; mesg_reg26=ox80; mesg_reg22=oxf0; mesg_reg24=0; mesg_reg25=0; mesg_reg21=ox55; mesg_reg20=ox99; mesg_regf6=ox80; mesg_regf1=ox55; mesg_regf0=ox99; con_reg=ox02; 单片机程序如下： #include #include #include s.h sbit led1 = P20; sbit led2 = P21; sbit SDA = P22; sbit SCL = P23; sbit J1 = P30; sbit J2 = P31; sbit st1 = P04; 本科生课程设计（论文） 15 sbit ALE_CAN = P00; sbit RD_CAN = P01; sbit INT_CAN = P02; sbit CS_CAN = P03; sbit WR_CAN = P27; #define WriteDeviceAddress 0 xa0 /地址以及读写方向，本设备中只有一个 IIC 设 备地址为 0 #define ReadDviceAddress 0 xa1 #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define nop _nop_ uchar c116=0X00,0X01,0X02,0X03,0X04,0X05,0X06,0X07,0X08,0X09,0X0a,0X0b,0X0 c, 0X0d,0X0e,0X0f; uchar c216; uchar c38 =0X00,0X01,0X02,0X03,0X04,0X05,0X06,0X07; unsigned int idata MaxLenCanRxBuf=440; unsigned char xdata CanRxBuf440; unsigned char idata CanTempBuf11; unsigned char idata CanTxData8; unsigned char data_flag=0; unsigned int idata CanRxAddr=0; unsigned char CanRxcompleteFlag=0; unsigned char idata cfgbuf32; unsigned char SendBufId2=0 x07,0 x20; unsigned char SendBufInf