基于CAN总线数据采集系统的设计与实现

1、基于现场总线的数据采集系统的设计与实现CAN总线通信实验学生：讲师：文摘：基于控制器局域网总线控制器SJA1000，设计了一种基于CAN总线的通用数据采集系统，给出了数据采集系统的原理和单个节点的软硬件设计。本文重点介绍了CAN总线智能节点的设计、实现及注意事项。实验表明，多主控结构的CAN总线使系统数据传输灵活、稳定、可靠，数据传输速率可达1兆位/秒，满足现场实时性要求。CAN总线的使用大大节省了接线、维护和安装的成本，提高了系统的性价比，具有广阔的应用前景。关键词：数据采集CAN总线现场总线芯片SJA 1000基于CAN总线通信实验的数据采集系统的设计与实现摘要：设计了一种基于控制器局域网

2、总线的电流数据采集系统，其核心设计是控制器局域网总线SJA1000。给出了数据采集系统的原理和单个节点的软硬件设计。主要内容是CAN总线智能节点的设计、实现和规则。测试结果显示了三个方面的优势。CAN总线的多主控能力使系统更加智能化。数据传输速率达到1兆位/秒，数据传输的稳定性和可靠性能满足现场的实时性要求。可靠性好，满足现场实时要求。同时，由于使用了现场总线，减少了接线、维护和安装的费用。它提高了系统的价格比。因此，它将得到广泛的应用。关键词：数据采集控制器局域网总线现场总线控制器SJA 1000目录一.导言1第二，现场总线1(1)现场总线1的引入(二)CAN协议1三.结构设计4四.硬件设计

3、5V.软件设计6(a)初始化子程序7(2)发送子程序8(3)查询模式接收子程序10六.测试报告12附录15参考文献36一.导言随着信息技术的飞速发展，自动化系统的结构发生了变化，形成了基于网络集成自动化的控制系统。随着这一发展，现场总线已经成为工业数据总线领域的一个新热点，广泛应用于工业现场控制、智能家居、交通运输、环境监测等领域。数据采集系统可以实现数据的采集和处理，通过增加先进的算法可以实现智能控制，从而减轻上位机的负担。本设计设计了一种基于CAN总线的通用数据采集卡，并重点介绍了其设计与实现。二、现场总线(一)现场总线介绍现场总线是一种现场总线。它是德国博世公司于1986年开发的串行数据

4、通信总线，用于解决现代汽车中许多控制和测试仪器之间的数据交换。CAN总线和其他通信网络有两个区别：首先，消息传输不包括基于整个网络广播的目标地址。每个接收站根据反映消息中数据性质的标识符来过滤消息，并且应该接受它，但是不应该丢弃它。其优点是在线接入、即插即用和多站接收。二是特别注重数据安全，以满足控制系统和其他数据要求较高的系统的要求。CAN总线具有以下主要特征：多个主站根据优先级接入总线；基于优先级的无损总线仲裁；通过接收过滤后的多地址帧进行传输；l远程数据请求；l灵活的配置；l .全系统数据兼容性；错误检测和错误信号；如果仲裁因传输过程中的错误而丢失或损坏，该帧可以自动重传；临时故障节点和

5、永久故障节点的识别以及故障节点与现场总线的自动断开。(2)局域网协议数据传输的通信协议是指数据传输的协议，包括定时、控制、格式化、数据表示等。1.1的协议。CAN分层结构CAN是一种串行通信协议。CAN总线规范规定了任意两个节点之间的兼容性，包括电气特性和数据解释协议。为了保证设计和使用的透明性和灵活性，CAN协议分为以下几层：目标层、传输层和物理层。目标层的功能范围包括：信息识别、信息状态和处理。传输层的功能包括帧组织、总线仲裁、错误检测、错误报告和错误处理。物理层的功能范围包括：实际比特传输期间的电特性。2.局域网通信协议总线控制器支持四种不同的控制器局域网协议帧类型：数据帧用于节点之间的

6、数据传输远程帧：用于请求发送具有相同标识符的数据帧错误帧：用于指示检测到的错误状态过载帧：用于在前一个和后一个数据帧或远程帧之间提供额外的延迟数据帧、远程帧、错误帧和过载帧都是以某种格式编码的数据帧由7个不同的位字段组成，如图1所示。它们是帧开始、仲裁字段、控制字段、循环冗余校验字段、确认字段和帧结束。远程帧由六个不同的位字段组成：帧开始、仲裁字段、控制字段、循环冗余校验字段、确认字段，帧结束错误框架：它由两个不同的字段组成。第一个字段由不同节点的错误标记叠加而成，第二个字段是错误分隔符过载帧：包括两个位域，过载标志和过载定界符。数据帧和远程帧通过帧间空间与前一帧分开，并执行帧编码和发送/接收

7、。图1数据帧的组成帧开始、仲裁字段、控制字段、数据字段和序列帧段通过位填充方法进行编码，即当检测到比特流中的五个值相同时，自动插入一个补码位。数据帧或远程帧的剩余比特字段、错误帧和过载帧是固定格式的，它们在没有比特填充方法的情况下被编码，并且帧中的比特流根据不归零方法被编码。传输时，从其SOF字段一个接一个地传输。发射机和接收机的帧有效点不同。对于发送器，如果帧结束前没有错误，则帧有效。对于接收器来说，如果在帧结束的最后一位之前没有错误，则帧有效。总线访问和仲裁：当检测到间歇字段未被“主导”位中断时，则认为总线被所有节点释放。总线释放后，“错误激活”节点可以访问总线。当许多节点开始一起发送时，

8、只有发送具有最高优先级的帧的节点才成为总线主节点，并享有对总线的控制。解决总线访问冲突的机制是基于竞争的，竞争是根据标识符和RTR位完成的。错误检测：CAN中有五种不同类型的错误：位错误、填充错误、循环冗余校验错误、形式错误、响应错误，根据错误计数器的值，网络中的任何节点都可能处于以下三种状态之一：“错误1激活”节点：“错误激活”节点通常可以参与总线通信，并在检测到错误时发送激活错误标志。“错误一确认”节点：“错误确认”节点不应发送激活错误标志，它参与总线通信，但在检测到错误时发送确认错误标志。总线关闭节点：当节点由于请求故障定义实体而对总线处于关闭状态时，它处于“总线关闭”状态，处于“总线关

9、闭”状态。为了定义错误，总线上的每个单元都有两种计数器：发送错误计数器和接收错误计数器，错误计数器的值根据一定的规则进行修改。当节点的发送计数器或接收计数器的值超过127时，监视器要求将相应的节点设置为“错误确认”状态，并发送激活标志。当发送计数器或接收计数器的值小于或等于127时，“错误一确认”节点再次变为“错误一激活”。当节点的发送计数器的值超过255时，监视器要求将相应的节点设置为“脱离总线”状态。对于处于“脱离总线”状态的节点，11个连续的“隐藏”位在总线上出现128次，成为“错误激活”节点，两个错误计数器都为0。三.结构设计数据采集系统由数据采集模块和数据传输模块组成，其中数据传输通

10、过控制器局域网总线实现。控制器局域网属于现场总线，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。系统采用总线网络拓扑结构，整体系统结构如图2所示。图2系统总体结构选择CAN总线连接每个节点，形成一个具有多个主控制器的局域网。CAN总线符合ISO11898标准，最多可连接110个节点。它采用了独特的CAN总线多主传输模式。每个采集控制器都可以根据现场需要自主发送数据，不需要主机不断巡视，节省了网络上的数据流，提高了传输效率。CAN总线的传输介质为双绞线或同轴电缆，线路少，易于系统扩展，修改灵活。正是由于这些其他通信方法无可比拟的优势，它成为分散系统分布的数据采集系统的理想总线。数据采集系统将

11、现场传感器发送的数据发送到空闲的CAN总线，总线上的每个节点通过预设的接受码和接受掩码决定是否使用该消息。如果收集的数据需要进一步处理，主机可以从总线接收数据并进行处理。处理后的数据被送回CAN总线，并由数模转换模块或其他节点控制。当上位机需要控制某个节点时，可以与该节点进行点对点的通信；当它需要控制所有节点时，它通过广播向总线发送命令。这大大减少了数据传输量，从而提高了提高了系统的传输速率，同时保证了系统的实时性和可靠性。下面以数据采集系统中的数据采集节点为例，说明单个节点的设计思想。第四，硬件设计数据采集系统单个节点的硬件框图如图3所示。传感器检测到的信息通过多路开关发送到可编程放大器PG

12、A 204，放大系数(1，10，100，1，000倍)根据信号大小进行调整。放大后，由AD574转换成数字信号，并发送到微处理器进行存储。然后，根据现场情况的需要，将信号发送到CAN总线，并由其他节点或上位机接收。图3节点硬件框图由于以AD574为模数转换器的数据采集卡比较流行，下面重点介绍数据传输部分即CAN总线智能节点的设计与实现。CAN总线上的节点是网络上的信息接收和发送站。节点被称为智能节点，因为它们主要由单片机和可编程的CAN通信控制器组成，可以通过编程设置工作模式、ID地址、波特率等参数。CAN节点原理图如图4所示。89C51是节点的微处理器。作为存储器输入/输出映射设备，它负责初

13、始化控制器SJA 1000并控制它实现诸如数据发送和接收的通信任务。在CAN总线通信接口中，采用了SJA 1000和TJA 1040芯片。SJA 1000是一个独立的CAN通信控制器，用于完成CAN总线通信协议的物理层和数据链路层的功能。TJA1040是一款高性能、高速的CAN收发器，可以增加通信距离，提高系统的瞬时抗干扰能力，提高系统的抗电磁干扰和电磁辐射性能，保护总线，减少射频干扰，实现热保护。图4局域网节点示意图为了进一步提高抗干扰能力，采用高速光耦合器6N137在控制器SJA 1000和驱动器TJA 1040之间形成隔离电路，传输介质为双绞线(或同轴电缆)，分别连接到控制器TJA 10

14、40的CANH和CANL引脚。同时，增加120 8端电阻来分隔总线两端的CANH和CANL之间的中断，在总线阻抗匹配中起着非常重要的作用4。另外，为了使控制器和微处理器同时可靠复位，增加了手动复位电路。SJA 1000的中断输出信号(N/T)连接到单片机的中断引脚IN T0，单片机与控制器局域网控制器之间的通信通过中断实现。电路实际调试时应注意以下几点。1.总线的两个1208端电阻不能忽略。否则，数据通信的抗干扰性和可靠性将会降低，在严重的情况下，通信将无法进行。2.tja1040的“SPL IT”引脚(与PCA 82C250兼容)(而不是82C250的“v ref”引脚)对于总线DC电压稳定非常有效4。如果“SPL信息技术”用于共模电压的DC电压稳定，则该“SPL信息技术”引脚应连接到分隔中断的中间抽头。如果没有使用“SPL信息技术”，请保持打开状态。3.TJA 1