CAN总线的双机冗余系统设计

1、课程设计论文任务及评语院系：电气工程学院教研室：自动化学号学生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1论文1任务课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数实现功能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1、确定设计方案，圆出方案框图。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

2、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1、符合；2、40米内最高可达1Mbit/s;设计选定传输速率为125Kbit/s3、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：论文质里：谷辩：总成绩：指导教师签字：年月日注：成绩：平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算CAN总线的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用丁工业自动化、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

3、术发展的热点之一，被誉为自动化领域的电脑局域网。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电脑控制系统，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、不问断的工作。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；1.

4、1 第1章绪论1CAN总线的发展1CAN®信特点1CAN总线的应用2第2章课程设计的方案32.1系统整体结构3系统设计方案选择4主控机的选择4现场总线收发器选择4现场总线控制器选择5第3章系统硬件设计6单片机最小系统设计6总线控制器设计7总线收发器设计8总体连接图9第4章软件设计104.1主程序流程图10接收中断服务程序流程图11系统程序13第5章课程设计总结16参考文献17第1章绪论1.1CAN总线的发展CAN(ControllerAreaNetwork)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申行通信网络，是由德国Bosch公司为汽车的监测和控

5、制系统而设计的，目前CAN总线标准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，用丁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丁汽车工业，仅在国内，其应用已普及过程控制、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。1.2CANS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：

6、1CAN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134g内得到传输，以满足控制信息的通信要求。3CAN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。4CAN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。5CAN上的节点数主要决

7、定丁总线驱动电路，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。7CAN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。8CAN总线的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光线，选择灵活。CAN总线的应用随着汽车电子技术的发展，消费者对丁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

8、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丁CAN总线具有可靠性高、实时性好、成本合理等优点,逐渐被应用丁如船舶、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，数白多个计量点，应用最先进的电脑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

9、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、数据比照分析。如果用户端有窃电行为，预设的报警功能可及时提醒。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，设计了一种基丁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

10、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。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、

11、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。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8K8ROM2568RAM2个16位定时计数器、4个8位I/O接口。AT89C5促一种低功耗、低电压、高性能的8位单片机。方案二：采用MSP43

12、0F14笄片机作为主控机。MSP430F145M有低成本和超低功耗的特点，闪存高达16KB具有通用申行通讯接口和10位ADC处理速度极快。MSP430F14®一种16位处理器单片机，与8位单片机相比占绝对优势。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，速率到达1Mbps，但是由丁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

13、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收发器完全符合ISO11898标准高速率，最高可到达1Mbps,可连接110个节点，工作温度范围为-40

14、125Co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+125C,适用丁汽车及某些军用领域；后者适用丁一般工业领域，温度范围是-4080C。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，用丁汽车和一股工业环境中的局域网络控制。它是Philip

15、s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。0第3章系统硬件设计单片机最小系统设计MSP430系列单片机是美国德州仪器TI1996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。MSP430F14巢有低成本和超低功耗的特点，闪存高达16KB具有通用申行通讯接口和10位ADC处理速度极快。MSP430F149是一种16位处理器单片

16、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.I"'4KHz,2.2V;280"'1MHz,2.2V。呻0从等待方式唤醒，时间小丁6o16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

17、定时器Timer_A,Timer_B。两通道申行通信接口可用丁异步或同步模式。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60KBFlash和2KBRAM。申行在系统编程。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。3.3VKI_T*卜卜S中*卜）S2.76BKDVll_V'jTTnrjTiK刑3叩：PS.+'VICLKXOUT.'lfLKPL.MIMLKFl.LTWPIJ/I'AIPL3/TA2,PI.4'SMC'L

18、KMP43OFM91PMP3.5/URXD(1L书牛nrlD十牛H4746一站一一14一43坦一41邨打37n厂哥_扣33P4.7.THCI,KF4.2TB2P4.1TDIP4.0?TB(tF4.6P4JP4.4F43H3.7P3.6P5.3P5.2P5.IP5.(J总线控制器设计SJA1000总线控制器是一种独立控制器，用丁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

19、等部分组成。其SJA1000接口电路如图所示。图3.2为SJA100控制器总线收发器设计TJA1050收发器是Philips公司生产的、用以替代PCA82C250勺高速的CAN总线收发器。该器件提供了CAN空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用丁选定TJA1050I勺工作模式。有两种工作模式可供选择：高速和静音。如果引脚S接地，则TJA105(tt入高速模式。当制悬空，其默认工作模式也是高速模式。高速模式也是TJA105附正常工作模式。如果引脚S接高电平，则TJA1

20、050S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。该模式可以防止由丁CAI®制器失控而造成网络阻塞。TJA105C®口电路如图3.3所示。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。,AD0TX0AD1TX1,AD2RX0,AD3RX1AD4MODE,AD5Vdd3,AD6Vdd2AD7Vdd1,CSVss3,ALE/ASVss2Vss1,WR,(RD)/EXTAL2,CLKOUTXTAL1,INTRSTP30P34P35P37P40WRRSTCANSJA1000P31P32390VCCR13

21、90C1q30pF12MHzC230pFTXDCanHRXDCanLVrefRSVCCGNDTJA1050CANHCANL4R347K782356R41201P20DIRVCC20219P21A0OE3P22A1B018P234A2B1TTP245A3B2-16P256A4B3157p*P27A5B4rrA6B5-139P19,一A7B61210GNDB71TA7CH245VCC654132101987654344444433333387444950Klc4fcrtroDXRUT53rBT/O4P4act/14pBn/24p6.4Pofcrtr1-Ertr2fcrtrTT7.4PC252535

22、45558593.3V61626364P55SMCLKP5&ACLKP5.7/TBoutHXT2OUTXT2INTD0/TD1TD1TMSTCKRST/NMIP60P6.1P62AVssDVssAVccQ-41FO34PSM7XC0LKLCT/TuaK.5.RP4.RP3.RPCCVDklcPMUTXD0P33/UCLK0P32/SOMICP31/SIMOCP3监丁£0P27/TA0P26P25/Ros(P24/CA1/TA2P23/CA0/TA1P22/CAOUT/TA0P2,1/TAINCLKP20/ACLKP17/TA2P16/TA1P15/TA0323130132.7

23、68K图3.4为总体连接图第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。单片机初始化完成后，在总线上发送询问帧，假设有主机在运行，则置当前机为主机。获得三总线的控制权和使用权。假设两机同时接受到信号，贝U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。假设发送询问帧后无反应，则认为出现故障。如图4.2。、开始:学习文档仅供参考4判断帧类型图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，假设有主机在运行

24、，则置当前机为主机。获得三总线的控制权和使用权。假设两机同时接受到信号，贝U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。假设发送询问帧后无反应，则认为出现故障。系统程序CAN初始化程序：voidinit_can()large(unsignedintdatai;for(i=0;i<512;i+)(_nop_()con_reg=ox41;for(i=0;i<512;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_

25、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;mesg_reg90=ox55;mesg

26、_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

27、;mesg_regf0=ox99;con_reg=ox02;单片机程序如下：#include<c8051f340.h>#include<INTRINS.H>#include"s.h"sbitled1=P2A0;sbitled2=P2A1;sbitSDA=P2A2;sbitSCL=P2A3;sbitJ1=P3A0;sbitJ2=P3A1;sbitst1=P0A4;sbitALE_CAN=P0A0;sbitRD_CAN=P0A1;sbitINT_CAN=P0A2;sbitCS_CAN=P0A3;sbitWR_CAN=P2A7;#defineWriteDe

28、viceAddress0xa0/地址以及读写方向，本设备中只有一个IIC设备地址为0#defineReadDviceAddress0xa1#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#definenop_nop_ucharc116=0X00,0X01,0X02,0X03,0X04,0X05,0X06,0X07,0X08,0X09,0X0a,0X0b,0X0c,0X0d,0X0e,0X0f;ucharc216;ucharc38=0X00,0X01,0X02,0X03,0X04,0X05,0X06,0X07;unsignedintidataMaxLe

29、nCanRxBuf=440;unsignedcharxdataCanRxBuf440;unsignedcharidataCanTempBuf11;unsignedcharidataCanTxData8;unsignedchardata_flag=0;unsignedintidataCanRxAddr=0;unsignedcharCanRxcompleteFlag=0;unsignedcharidatacfgbuf32;unsignedcharSendBufId2=0x07,0x20;unsignedcharSendBufInfo;unsignedintxdatamSendDelay=0;unsignedchar*h_pointer;unsignedchar*l_pointer;unsignedchari=0;unsignedcharj=0;u