CAN總線節(jié)點設計說明

1、 . . . 一、現場總線、現場總線系統(tǒng)(FCS)、現場總線智能節(jié)點現場總線現場總線是一種工業(yè)數據總線，它主要解決現場的智能化儀表、控制器、協(xié)作機構等現場設備間的數字通訊以與這些現場設備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。近年來，國際上形成了多種成熟的現場總線，較為著名的有過程現場總線PROFIBUS(Process Fieldbus)、基金會現場總線FF(Foundation Fieldbus)、控制器局域網現場總線CANbus(Control Area Network)、可尋址遠程傳感器數據通路(HART)和局部操作網絡(LONWORKS)。從資料分析和應用實踐來看，FF、LONWORKS或

2、HART與國的技術狀況和承受能力有一定距離。CAN總線更適合我國國情，其通信芯片價格較為低廉。本項目研制的智能節(jié)點就采用了CAN總線技術。CAN總線是德國BOSCH公司從80年代初為解決現代汽車中眾多的控制與測量儀器之間的數據交換而開發(fā)的一種串行數據通信協(xié)議。他是一種多主總線，通信介質可以使雙絞線、同軸電纜和光導纖維。通信速率可達1Mbps 。歸納起來，CAN總線主要有以下特點：（1）、網絡中任一節(jié)點均可作為主節(jié)點，主動發(fā)送數據。解決了許多傳統(tǒng)總線的從節(jié)點無法主動向其他節(jié)點發(fā)送數據的難題，給用戶的系統(tǒng)設計提供了極大的靈活性。（2）、CAN網絡中節(jié)點可分優(yōu)先權滿足不同要求。（3）、抗干擾能力強，

3、速度快，且工程簡單，普通雙絞線40米時可達1Mbps 。（4）、調試維護方便。（5）、CAN用戶可以定義自己的CAN語言，即子層數據協(xié)議，然而這個協(xié)議需遵守ISO/OSI參考模型的第7層（應用層）標準。當然，用戶也可以使用標準的CAN子層數據協(xié)議，如工業(yè)標準CAN協(xié)議Allen-Bradleys DEVICE net ，直接利用它們進行方案開發(fā)，通過這些數據協(xié)議，建立了應用層與物理層之間的聯(lián)系。（6）、CAN協(xié)議采用CRC校樣并可提供相應的錯誤處理功能，保證數據的可靠性。CAN總線是基于發(fā)送報文的編碼，而不是對CAN控制節(jié)點進行編碼，故增添或刪減CAN上的控制節(jié)點不會對系統(tǒng)造成太大的影響。本文

4、結合作者工作中的體會，首先介紹了CAN協(xié)議的有關容，接著,以SJA1000為例介紹如何建立簡單的通信，并給出了它的軟硬件設計，最后，探討了應用中對CAN控制器進行初始化的一些問題。CAN協(xié)議（1）、CAN報文格式CAN系統(tǒng)中，數據在節(jié)點間發(fā)送和接收以4種不同類型的幀（數據幀、遠程幀、出錯幀、超載幀）出現。其中最常見的是數據幀和遠程幀。每種幀有其相應的幀格式。CAN控制節(jié)點發(fā)送數據時，SJA1000的TX0腳輸出位序列。用邏輯分析儀捕捉了一個數據幀，它由7種位場構成:幀起始、仲裁場、控制場、數據場、校驗場、應答場和幀結束。數據幀結構幀起始（SOF），包含一個顯性位，用于硬同步。仲裁場（ARBIT

5、RATIONFIELD），包含11個報文標識位和1個RTR位。報文標識位的高7位不能全為“1”，RTR位用以區(qū)分數據幀和遠程幀，數據幀為“0”，遠程幀為“1”，這12位提供報文的優(yōu)先權?？偩€通過這12位進行總線仲裁，數越小，優(yōu)先權越高?？刂茍觯–ONTROLFIELD），包含2位備用位和4位數據長度碼。數據場（DATAFIELD）。循環(huán)冗余CRC校驗場（CRCFIELD），包含15位CRC序列和1位界定符（隱性位“1”）。應答場（ACKFIELD），包含應答間隙和應答界定符各1位，應答間隙為隱性位。CAN總線上所有收到正確報文的CAN控制器將隱性位改為顯性位，發(fā)送者借此確認它已發(fā)送完一條完整和

6、正確的消息。若報文有誤，或被仲裁退出（由于優(yōu)先級較低），發(fā)送者將會重發(fā)報文。幀結束(EOF)，包含7個隱性位。遠程幀用于請求與其有一樣標識符的數據幀，它與數據幀的區(qū)別在于RTR位、數據場。（2）、CAN節(jié)點狀態(tài)CAN總線上的每個節(jié)點總處于錯誤主動（ERRORACTIVE）、錯誤被動（ERRORPASSIVE）和脫離總線（BUSOFF）其中的一種狀態(tài)。CAN協(xié)議定義了5種錯誤類型，并由CAN控制器的發(fā)送錯誤寄存器（REC）和接收錯誤寄存器（TEC）分別對錯誤進行計數。CAN節(jié)點的狀態(tài)便由這兩個錯誤寄存器決定。當兩個寄存器的值都小于126時，節(jié)點處于錯誤主動狀態(tài)，此時節(jié)點遇到錯誤發(fā)送主動錯誤幀；當

7、其中一個錯誤寄存器的值大于126時，節(jié)點處于錯誤被動狀態(tài),此時節(jié)點遇到錯誤發(fā)送被動錯誤幀；當發(fā)送寄存器的值大于255時，節(jié)點處于BUSOFF狀態(tài),此時節(jié)點對總線無影響。（3）、CAN節(jié)點監(jiān)聽總線機制CAN控制器不停地接收總線上的數據,由此完成對總線的監(jiān)聽。當它發(fā)送報文時，接收的數據會被放入接收緩存，并與發(fā)送的數據進行比較。若發(fā)送的報文標識符是“1”，接收的是“0”（總線完成“線與”的功能），則該節(jié)點停止發(fā)送，等總線空閑后，重新發(fā)送報文。這樣來完成總線仲裁。一節(jié)點發(fā)送完一份報文后，可在該節(jié)點的接收緩存找到該報文。該報文會被隨后接收的數據覆蓋。CAN節(jié)點監(jiān)聽到其他節(jié)點發(fā)送的錯誤幀后，會根據自身的狀

8、態(tài)發(fā)送相應的錯誤幀。故總線上的錯誤幀是由所有CAN節(jié)點發(fā)送的錯誤幀疊加而成。CAN通過它來完成局部錯誤全局化。CAN卓越的特性，性能的可靠和獨特的設計，特別適合工業(yè)過程互控設備互聯(lián)。因此，越來越受工業(yè)界重視，并已被公認為是最有前途的現場總線之一?，F場總線控制系統(tǒng)FCS將分散在各個工業(yè)現場的智能儀表通過數字現場總線連為一體，并與控制室中的控制器和監(jiān)視器一起就構成現場總線控制系統(tǒng)FCS（Fieldbus Control System）。在FCS中，有現場智能儀表完成數據采集、數據處理、控制運算和數據輸出等功能。現場智能儀表采集到的數據通過現場總線傳到控制室中的控制設備上，控制設備監(jiān)視各個現場儀表的

9、運行狀態(tài)，持有各智能儀表上傳的數據，同時完成少量現場智能儀表無法完成的高級控制功能?，F場總線中的智能儀表因其可在測量數據的基礎上完成對工業(yè)過程的控制，是控制系統(tǒng)的危險進一步分散。從而體現了“控制分散，危險分散”的設計思想?，F場總線智能節(jié)點把連在現場總線上的智能儀表稱為現場總線智能節(jié)點?，F場總線智能節(jié)點是FCS的現場自動化設備，是構成FCS的基礎。目前現場總線智能節(jié)點的特點是采用先進的單片機技術和微電子技術，具有體積小、功耗底、可靠性高的特點，并具有標準化的現場總線接口。二、現場總線智能節(jié)點總體方案設計 上位機CAN接口 CAN-bus智能節(jié)點智能節(jié)點CAN接口CAN接口智能節(jié)點既有CPU、存、

10、接口和通信等數字信號處理，還有非電量信號監(jiān)測變換和放大的模擬信號處理。由于必須安裝在生產現場和生產裝置上，而且工作環(huán)境十分惡劣，對于易燃易爆場所，必須提供總線供電的本質安全，這就要求微處理器體積小、功能全、性能好、可靠性高、耗電少。另外，現場通信網絡分布于生產現場，網絡節(jié)點具有互換性和互操作性，并有節(jié)點構成虛擬控制路，這就要求采用先進的網絡技術和分布式數據庫系統(tǒng)。本課題研制的智能節(jié)點將現場總線技術和智能儀表技術相結合，具有以下主要功能：（1）、每5秒鐘采集一次溫度、值，并在整點時刻記下溫度值，數據保存一個月。溫度傳感器(如熱電耦)感知被測對象溫度，溫度信號在儀表中經過處理變成電信號，電信號再經

11、A/D轉換器將其變?yōu)閿底至?，然后送入CPU中進行后續(xù)處理。通過在儀表存儲器中預置不同的測溫元件的熱電特性，可由測得的電信號直接得到被測介質溫度。（2）、測量數據越限報警：根據被測溫度正常圍設定溫度報警限，當被測數據越過報警限時，智能節(jié)點自動給出報警信息，該信息一方面在智能節(jié)點本地顯示，另一方面?zhèn)魉徒o上位機。（3）、故障診斷：智能節(jié)點發(fā)生故障時，在儀表顯示面板上給出故障信息，并把信息傳送給上位機。上位機種不僅顯示故障類限，還顯示故障原因和故障處理意見的詳細信息。（4）、自標定：通過在A/D轉換器輸入端中加零電壓與滿量程電壓。對儀表的零點和滿量程自動進行標定。自標定的思路是：當施加某一電壓時，在儀

12、表輸出端應給出對應于該電壓的輸出溫度值。若輸入電壓和該電壓對應的溫度值不吻合，就要自動調整儀表有關系數，直至二者一致。這種標定主要是針對儀表電子線路部分的，目的是減小系統(tǒng)誤差，提高系統(tǒng)精度。（5）、掉電保護：智能儀表用非易失性存儲器NVRAM作為設定參數和有關測量數據的存儲空間，NVRAM自帶鋰電池，數據不會因為瞬間掉電而丟失，一旦重新上電，儀表可從存儲器中讀出保存數據，保證儀表正常工作。（6）、控制器的執(zhí)行算法模塊主要采用了增量型PID控制算法和模塊控制算法，PID控制的參數可預先設定。程序開始運行后，被控量的偏差較大，此時將采用增量型PID控制算法根據被測量偏差e，偏差變化量e在實時響應曲

13、線中所處的不同階段自動調節(jié)比例，積分，微分系數，實現系數的自尋優(yōu)，使被控量盡快回到設定值附近；然后，當偏差處于某一預定圍時，將采用模糊控制算法減少控制量對被控量微小變化產生過于靈敏的動作，防止被控量在設定值附近產生振蕩現象，實現PID控制算法和模糊控制算法的理想結合。三、智能節(jié)點的軟硬件介紹智能節(jié)點設計人機接口80C196KC時鐘芯片溫度檢測芯片收發(fā)接口光電隔離CAN控制器NVRAMDS1225EEPROM2864 圖1 智能節(jié)點的原理框圖智能節(jié)點以Intel公司16位單片機80C196KC為核心，80C196單片機由于采用了寄存器寄存器結構，消除了常規(guī)累加器結構所產生的瓶頸效應，提高了操作速

14、度和數據吞吐能力，使最小系統(tǒng)效率高、速度快。同時，該單片機還具有8通道的10位A/D轉換器，具有極高的性能價格比。80C196KC片RAM為488字節(jié)，他們都可以作為通用寄存器來訪問，這使得程序的每一個模塊都可以有自己的專用寄存器使用，增強了模塊的獨立性和抗干擾性。采用CMOS工藝，其功耗小。采用8K的EEPROM2816存放程序，8K的RAM6264存放數據，具有掉電保護功能，采用一片可編程并行接口芯片8255來控制顯示和鍵盤。復位電路采用了一片MAX706，具有低電平復位輸出，集強大功能（上電復位、欠電壓復位、“看門狗”等）和微小封裝（SOT23-5）于一身。CAN接口電路中采用了PHIL

15、IPS公司生產的CAN總線控制器82C200（STA1000）和CAN接口芯片82C250。電源方案采用體積小、重量輕的AC-DC模塊，交流輸入圍105265V，輸出兩組電源，分別為Vcc、GND(+5V/250mA)和+5V、GND(+5V/150mA)，較簡單地完成了電源方案設計。2、智能節(jié)點硬件電路設計目前廣泛流行的CAN總線器件有兩大類:一類是獨立的CAN控制器，如82C200、SJA1000與INTEL82526/82527等；另一類是帶有在片CAN的微控制器，如P8XC582與16位微控制器87C196CA/CB等。根據當前市場開發(fā)工具和課題的實際需要，系統(tǒng)全部智能節(jié)點均以INTE

16、L16位單片機80C196KC為核心，選用SJA1000作為CAN控制器，并使用了CAN控制器接口芯片82C250。CAN器件與微控制器的連接如圖2所示。SJA1000:獨立式CAN控制器，具有64字節(jié)的FIFO作為接收緩存。6N137:高速光隔，最高速度10MB/S，用于保護CAN控制器。硬件電路中使用82C250的目的是為了增大通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護總線,降低射頻干擾（RFI），實現熱防護等。82C250：CAN總線收發(fā)器，是CAN控制器與CAN總線的接口器件，對CAN總線差分式發(fā)送。其RS引腳用于選擇82C250的工作模式:高速、斜率控制、等待。RS腳接地，82C250

17、處于高速。RS腳串接一個電阻后再接地，用于控制上升和下降斜率，從而減小射頻干擾。RS腳接高電平，82C250處于等待，此時發(fā)送器關閉，接收器處于低電流工作，可以對CAN總線上的顯性位做出反應，通知CPU。CPU需通過切換RS引腳上的電平來重置82C250工作模式。若82C250處于CAN總線的網絡終端，總線接口部分需加一個120的匹配電阻。 圖2 CAN總線接口電路原理圖從圖中可以看出，硬件電路的設計并不是太困難，但是有幾點應引起注意，否則會事倍功半，甚至功虧一簣。（1）總線兩端那兩個120的電阻，對匹配總線阻抗起著相當重要的作用。忽略掉它們，會使數據通信的抗干擾性和可靠性大大降低，甚至無法通

18、信。（2）82C250第8腳與地之間的電阻RS稱為斜率電阻，它的取值決定了系統(tǒng)處于高速工作方式還是斜率控制方式。把該引腳直接與地相連，系統(tǒng)將處于高速工作方式。在這種方式下，為避免射頻干擾，建議使用屏蔽電纜作總線；而在波特率較低、總線較短時，一般采用斜率控制方式，上升和下降的斜率取決于RS的阻值。實驗數據表明，15K200K為RS較理想的取值圍。在這一種方式下，可以使用平行線或雙絞線作總線。（3）SJA1000的TX1腳懸空，RX1引腳的電位必須維持在約0.5Vcc上，否則將不能形成CAN協(xié)議所要求的電平邏輯。如果系統(tǒng)傳輸距離近，環(huán)境干擾小，可以不用電流隔離，這樣可直接把82C250的VREF端

19、（約為0.5Vcc）與RX1腳相連，從而簡化電路。（4）在系統(tǒng)中，SJA1000的片選信號一般由地址總線經譯碼獲得，并由此決定出CAN控制器各寄存器的地址。（5）當中斷允許時，一旦有中斷發(fā)生，SJA1000的16腳INT就會被激活，出現一個由高電平到低電平的躍變，而80C196KC的外部中斷（P0 7腳）卻需要從低到高的電平變化來激活，因此這之間必須加一個反相器。3、智能節(jié)點軟件設計上位機功能：時間的顯示和調整、顯示并存儲下位機采集的數據。上位機的時間由時鐘芯片DS1302提供。美國Dallas公司推出的串行接口實時時鐘芯片DS1302可對時鐘芯片備份電池進行涓流充電。由于該芯片具有體積小、功

20、耗低、接口容易、占用CPU的I/O口線少等主要特點，故該芯片可作為實時時鐘，廣泛應用于智能化儀器儀表種。DS1302部具有實時時鐘、日歷和用戶可用的RAM。通過一個簡單的串行接口與微機通訊，可根據月份和閏年的情況自動調整月份的結束日期。時鐘可由用戶決定是以24小時制式或12小時制式工作。對芯片的所有寫入或讀出操作都是由命令字節(jié)為引導的。單字節(jié)讀操作每次需16個時鐘，地址字節(jié)在前8個時鐘周期的上升沿輸入，而數據字節(jié)在后8個時鐘周期的下降沿輸出。據此編制出了如下的單字節(jié)讀、寫子程序：11 / 11DS_READ: PUSH CX ORB PORT1,#04H ANDB PORT1,#0FDH AN

21、DB PORT1,#0FBH SCALL DS_WSUB SCALL DS_RSUB ORB PORT1,#04H POP CX RETDS_WRITE: PUSH CX ORB PORT1,#04H ANDB PORT1,#0FDH ANDB PORT1,#0FBH SCALL DS_WSUB LDB AL,AH SCALL DS_WSUB ORB PORT1,#04H POP CX RETDS_WSUB: LDB CL,#08HWLOOP: SHRB AL,#01H JC WSET ANDB PORT1,#0FEH SJMP WCTNUWSET: ORB PORT1,#01HWCTNU:

22、ORB PORT1,#02H NOP NOP ANDB PORT1,#0FDH DJNZ CL,WLOOP RETDS_RSUB: LDB CL,#08HRLOOP: ORB PORT1,#01H ANDB PORT1,#0FDH SHRB AL,#01H C PORT1,0,RCTNU ORB AL,#80HRCTNU: ORB PORT1,#02H DJNZ CL,RLOOP RET下位機功能：定時采集數據并顯示、將數據傳給上位機。 鑒于篇幅，下面僅給出下位機主程序和時間中斷子程序框圖（圖3、圖4） 入 口 開 始啟動A/D轉換 自 檢轉換完成？8255初始化 NSJA1000初始化Y 讀

23、取轉換結果設置定時器中斷送LED顯示設置外中斷 返 回 等待中斷 圖3 下位機主程序框圖 圖4 時間中斷子程序框圖對于初次涉足CAN總線系統(tǒng)設計的人員來說，其軟件設計要比硬件設計難一些，特別是CAN總線系統(tǒng)的初始化設計，一開始總感覺無從下手，而這一部分設計不好，系統(tǒng)將不可能正常工作。因此初始化設計是一個難點，又是一個重點。假設SJA1000的首地址為6000H，用匯編語言編制的初始化程序如下：INCLUDE“RE96 ASM”CREQU6000H；控制寄存器CMR EQU6001H；命令寄存器SREQU6002H；狀態(tài)寄存器IREQU6003H；中斷寄存器ACR EQU6004H；驗收碼寄存器

24、AMR EQU6005H；驗收屏蔽寄存器BTR0EQU6006H；總線定時寄存器0BTR1EQU6007H；總線定時寄存器1OCR EQU6008H；輸出控制寄存器INIT:DILDBCL,#1BHSTBCL,CR ；開放接收、出錯、超載中斷,并LDBCL,#01H ；置位復位請求,以開始初始化。STBCL,ACRLDBCL,#0FEHSTBCL,AMR；驗收濾波LDBCL,#00HSTBCL,BTR0LDBCL,#14HSTBCL,BTR1；確定波特率,SJ,位周期寬LDBCL,#0AAH ；度,采樣點位置與采樣次數STBCL,OCR ；選擇輸出方式,建立輸出驅動器LDBCL,#1AH；的配

25、置。STBCL,CR；初始化結束,SJA1000返回其EI；正常運行狀態(tài)從上面的初始化程序不難看出，對CAN控制器進行初始化，實際上就是對ACR、AMR、BTR0、BTR1、OCR這些寄存器進行訪問。在這里需要明確的是，只有當控制寄存器CR中的復位請求位為高時，訪問才被允許，否則既寫不進去，也讀不出正確的容。對CR進行第一次寫操作，要設定將要開放的中斷類型，并置位復位請求，允許初始化開始。對ACR、AMR進行寫操作，要界定對什么樣的報文予以接收，因此有時稱它們?yōu)轵炇諡V波器。當滿足以下兩個條件之一，并存在空的接收緩存器（RBF）時，完整報文可被正確接收。條件之一：ACR與報文標識符的高8位在AM

26、R為“0”的那些位（即相關位）上對應相等。條件之二：AMR=0FFH，即ACR的所有位均為不相關（或屏蔽）位。這兩個寄存器也是編排標識符的基本依據。對BTR0進行操作，可決定波特率預分頻器（BRP）和同步跳轉寬度（SJ）的數值；對BTR1進行寫操作，可決定位周期的寬度，采樣點的位置與在每個采樣點進行采樣的次數。這兩個寄存器的容，可唯一確定波特率與同步跳轉寬度。例如：程序中BTR0=00H，BTR1=14H，晶振頻率為16MHZ時，采樣時鐘周期TSCL等于兩倍的振蕩器時鐘周期。波特率剛好為1MBPS，同步跳轉寬度為一個TSCL。兩個寄存器各位功能和相關計算公式見參考文獻。但有一點還應引起注意，就

27、是一個系統(tǒng)中的所有節(jié)點BTR0和BTR1的容都應一樣，否則將無法進行通信。對OCR進行寫操作，可確定CAN控制器的輸出方式，并建立起CAN總線要求的電平邏輯所需輸出驅動器的配置。對CR進行第二次操作主要是清復位請求位，使SJA1000返回正常運行狀態(tài)。成功地初始化SJA1000后，系統(tǒng)就可以應用它來傳輸報文。數據傳輸的程序不難編寫，但有些細節(jié)處理不好，系統(tǒng)工作起來還是經常發(fā)生問題。作者通過反復調試已把通信部分的程序做成了模塊，在實際系統(tǒng)中的應用表明它經受住了考驗，運行的相當好。鑒于篇幅，下面僅給出節(jié)點請求數據和發(fā)送數據子程序框圖（圖5、圖6）與中斷服務程序框圖（圖7）。按照這些框圖編制的子程序

28、已用于實際系統(tǒng)，效果良好。 入 口 入 口判SR.4=1?判SR.4=1? 正在接收 Y 正在接收 Y N N判SR.2=1?判SR.2=1? TBF鎖定 N TBF鎖定 N Y TBF釋放 Y TBF釋放將數據幀與數據寫入TBF將遠程幀寫入TBF給CMR賦值05H給CMR賦值05H即申請發(fā)送并釋放接受緩存器，等候接受判SR.3=1?發(fā)送未完成 返 回 N Y 返 回 圖5 請求數據數據子程序框圖 圖6 發(fā)送數據子程序框圖在節(jié)點主程序中，可以根據實際需要，通過調用上面的兩個子程序向其它節(jié)點發(fā)送遠程幀來申請數據，也可以直接向需要數據的節(jié)點發(fā)送數據幀與數據，但在系統(tǒng)軟件設計時應該特別注意無論何時C

29、AN總線不應被永久性地100%加載。中斷服務程序入口讀IR的內容判是何種中斷？ 出錯中斷 超載中斷 延 時清楚超載狀態(tài)，并同時釋放RBF即使CMR=0CH 接收中斷判RTR=1？ N接收數據Y調發(fā)送數據子程序重新調請求數據子程序轉存數據置位CMR.2，釋放RBF 返 回 圖7 中斷服務程序框圖元器件清單：單片機80C196KC×3 程序存儲器28C64B×3復位芯片MAX706×3 并行接口8255×3時鐘芯片DS1302×1 數據存儲器DS1225×1CAN總線控制器SJA1000×3 高速光隔6N137×6CA

30、N控制器接口芯片82C250×3參考資料：1 汪建 .MCS-96系列單片機原理與應用技術. 華中理工大學2 涵芳 .Intel 16 位單片機. 航空航天大學3 鄔寬明 .CAN總線原理和應用系統(tǒng)設計. 航空航天大學4周鳳余 肖海榮 .CAN總線系統(tǒng)智能節(jié)點設計與實現. 微機算計信息 . 1999年第15卷第6期5 繼鋒 付強 .基于CAN總線的分布式溫度檢測網絡設計. 微機算計信息 . 1999年第15卷第6期6 王明順 吳省 .可涓流充電的串行實時時鐘芯片DS1302與應用設計. 電子技術應用 . 1996(10)7 CANbus brings new thinking to the control of an injection moulding machine Anon Source: British Plastics and Rubber Nov 1998 MCM Publishing p 13-16 0307-6164 In Engli