CAN总线在智能仪表中的应用

1、题目：CAN 总线在智能仪表中的应用Application of CAN Bus in Intelligent Instrument学 院 电子信息工程学院 专 业 导航、制导及其控制姓 名 学 号 2014年6月CAN 总线在智能仪表中的应用摘 要随着微电子技术的出现和发展,现场总线技术日益成为国内外各个行业的关注焦点。CAN现场总线作为一种有效支持分布式控制和实时控制的技术,以其稳定性好、可靠性高、抗干扰能力强、通讯速率高、维护成本低及其独特的设计越来越受到人们的重视,并被公认为最有前途的现场总线之一。随着现场总线技术的迅猛发展,传统的自动化仪表受到严重挑战,取而代之的将是具有开放性的现场

2、总线仪表,基于CAN协议的现场总线仪表的研究与开发具有非常现实的意义。为了顺应仪表发展的要求,文章在原有检测仪设计的基础上,由RS一485通讯方式增加了CAN总线的通讯功能,研究了在智能仪表中嵌入ACN总线的实践途径。探索在不增加更多成本、利用有限机内空间和资源的状态下,逐步完善仪表功能,增加其市场竞争力。文中详细介绍了仪表的CAN总线通信的实现过程,对AT89C55单片机以及其集成的CAN控制器SJA1000进行了探究,并以它为处理器进行硬件设计,使CAN总线的通讯更加直观。本文在分析论述了CAN总线技术的有关性能特点及CAN协议规范后,完成了CAN通信卡的电路设计。基于CAN协议的现场总线

3、仪表的稳定性、实时性都比传统仪表优越,基于CAN现场总线仪表的监控系统在容错处理、数据交换、系统管理、抗环境干扰等方面都比传统仪表组成的系统功能强。关键词:CAN总线、智能仪表、SJA1000 、CAN总线控制器。Application of CAN Bus in Intelligent InstrumentAbstractWith developing and appearing of micro-electronics technology,FieldbusTechnology has already attracted attention of all industries at hom

4、e and baorad.CAN fieldbus is a technology which efficiently supports distribut real一time with a very high level of security. It attracted attention with a very high level of capability and a very high level of security and a very better of anti一jampping and a very fast of communication speed and a v

5、ery low of maintenance cost and a particular design.It was regarded replaced with the instrument based on fieldbus. It is realistic meaning to research and develop instrument based on fieldbus. For the request of instrument development, this paper adds CAN communication to RS一485 communication based

6、 on the intrinsic design of PH insurtment. It researches the approach that insets CAN bus to intelligent instrument . It explores to consummate the instrument functions and to increase competitive abilities based on using restrieted space and resource of CPU . At the same time, it intorduces the Pri

7、nciple of the CAN communication and communicational protocol. It also introduces the constitution of microcomputer AT89C55, CAN controller SJA1000 and CAN transceiver. The design of communication module and PH instrument based on CAN fieldbus is discussed in detail. The software has realized that PC

8、 computer manage and control the instrument based on CAN fieldbus in the CAN communication module.It is proved that stability and real一time of instruments based on CAN fieldbus are better than traditional insturments. The error一delaying and data一switching and system一managing and anti一jamming of cont

9、rol system based on CAN fieldbus instruments are better than the system based on traditional insturments.Key words: CAN bus; intelligent insturment;SJA1000 CAN bus controller第1章 CAN总线技术介绍1.1 CAN总线技术的应用现状控制器局部网(CAN一Controller Area Newtork)属于现场总线的范畴,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN采用双线串行通信方式工作。具有强有力的检错功能

10、,可在高噪声干扰环境中使用,具有优先权和仲裁功能、多个单片微机可通过CAN的控制器挂到CAN总线上,形成多主机局部控制网。CAN的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络，CAN的这些卓越特性以及极高的可靠性和独特的设计,特别适合工业过程监控设备的互联,但由于它的优良性能 ,它己在工业自动化、各种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等各领域得到了广泛的应用。因此,越来越受到工业界重视,并已被公认为最有前途的现场总线之一，可以预料,控制器局域网在我国迅速发展和普及是指日可待的。1.2 CAN 总线的工作原理当CAN总线上的一个仪表发送数据时,它以报文形式广播给网络中所有仪表，对每个仪

11、表来说,其报文开头的F1个位称为标识符,定义了报文的优先级,这种报文格式称为面向内容的编址方案。在同一系统中标识符是唯一的,不可能有两个仪表发送具有相同标识符的报文。当一个仪表要向其它仪表发送数据时,该仪表的CPU将要发送的数据和自己的标识传送给本仪表的CAN芯片,并处于准备状念,当它收到总线分配时,转为发送报文状态。CAN芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出,这时网上的其它仪表处于接收状态。每个处于接收状态的仪表对接收到的报文进行检测,判断这些报文是否是发给自己的,以确定是否接收它,因此很容易建立高水准的控制系统并灵活地进行配置。1.3 CAN 总线的性能特点CAN总线使用的通信介质为

12、双绞线及其它电缆 ,鉴于其极高的可靠性和独特的设计以及高速率,传输距离较长的特点,特别适合工业现场监控设备的互联,概括起来,它具有如下特点: 1)以N的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤,选择灵活。2)以N的直接通信距离最远可达10km(速率SKbps以下),通信速率最高可达1MbPs (此时通信距离最长为40m)。3)以N为多主从工作方式,网络上任意一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他接点发送信息,而不分主从,通信方式灵活,且无需站地址等节点信息,利用这一特性可方便地构成多机备份系统。4)网络上的节点信息可分成不同的优先级,可以满足不同的实时要求,高优先级的数据最多可在134us内得到传输

13、。5)CAN采用非破坏性总线仲裁技术,当多个节点同时向总线发送信息时,优先级较低的节点会主动退出发送,而高优先级的节点可以不受影响地继续传送数据,从而大大节省了总线冲突仲裁时间。6)CAN只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传播接收数据。1.4 CAN总线的性能评价CAN现场总线技术同其它较高级的网络一样,在其设计、应用和运行过程中,有其网络性能问题。在CAN网络性能分析中,以下几项性能指标用于描述了CAN网络的动态性能。1.网络吞吐量:单位时间内通过总线上某一点成功发送的比特的平均数。2网络负载:单位时间里可供发送的比特平均数。3.平均传输时延:单位字节或比特的信息

14、(含重发信息)的平均滞留时间。1.5 CAN总线的仲裁机制CAN总线采用了CSMACD协议并引入非破坏性优先权逐位仲裁机制解决媒体共享问题,使报文冲突的过程变为优先权仲裁的过程,提高了信道使用率,解决了报文传输的延时不确定性。非破坏性优先权逐位仲裁规则如下:(1)预发送帧的节点当总线空闲时同时发送帧且同步于SOF的上升沿;(2)各帧的标识符字段在总线同时相遇,借助总线使标识符字段逐位“线与”,根据其结果进行冲突仲裁;(3)如果发送节点没有检测到冲突,则继续发送下一位;(4)如果发送节点检测到冲突,则立即中断,不再继续后面各位的发送;(5)各标识符字段的逐位“线与”结束后,未检测到冲突的节点获得

15、优先发送权,可以发送数据帧后面的字段;(6)检测到冲突的节点,不能发送后面的数据字段,而等待下一次发送。表1.1 Can总线逐位仲裁规则1.6 CAN总线协议的技术规范1.6.1 CAN的体系结构CAN总线是开放系统,处于对实时性和降低成本等因素的考虑,CAN总线只采用了其中最关键的三层,即物理层,数据链路层和应用层,其中数据链路层又进一步分为逻辑链路控制子层LCL和媒体访问控制子层MAC,而应用层则包含150/051模型中物理层和数据链路层外其余各层的功能。CAN总线物理层的主要内容规定了通讯介质的机械、电器、功能和规程特性。CAN是一个多主机局部网,它的串行通信链路采用一条多个单元均可连接

16、的总线。理论上,单元数目是无限的,实际的单元总数受限于延迟时间或总线的电气负载。接收器在两个相位缓冲段之间采样输入位值。而两个相位缓冲段长度可自由控制,以保证采样的可靠性。图1.1 CAN总线体系结构图数据链路层主要功能是将要发送的数据进行包装,即加上差错校验位、数据链路协议的控制信息、头尾标记等附加信息组成数据帧,从物理信道上发送出去;在接收到数据后,再把附加信息去掉,得到通讯数据。CAN总线的数据链路层包括逻辑控制子层LCL和媒体访问控制子层MAC。1.6.2 CAN的报文传送和帧结构1.连接和传送方式CAN是一种多主机串行通信局域网络,其通信链路采用一条多个单元均可连接的总线。连入的单元

17、数主要取决于总线驱动电路,目前可达110个。CAN总线中,各节点使用相同的位速率。2.报文CAN总线以报文为单位进行信息传送。报文中包含标识符功,它也标志了报文的优先权。CAN总线上各个节点都可主动发送。CAN系统中,一个CAN节点不使用有关系统结构的任何信息(如站地址等)。报文中的标识符DI并不指出报文的目的地址,而是描述数据的含义。CAN支持4种不同类型报文帧。 (1)数据帧 (2)远程帧3)出错帧 (4)超载帧1.7 CAN 总线在智能仪表中的应用前景CAN 总线具有高性能、高可靠性、高性价比、连接方便、实时性好以及独特的设计等特点，CAN 总线广泛应用于控制系统中的各检测和执行机构之间

18、的数据通信，利用已经投入的智能仪表进一步改造，利用 CAN 总线负载能力大，能够完成现场总线在厂矿通信方面的应用，替代 RS-485 等通信方式，突出现场总线在通信中易操作、成本低等优点，达到产品的实用和推广，前景是逐步实现 CAN 总线网络化的普及，令使用范围扩大化，最大限度的发挥其功效。 第2章 智能仪表CAN通讯的硬件设计2.1智能仪表整体的硬件构成在基于CAN总线的智能检测仪表中,检测仪表的数据采集、信号处理以及液晶显示等硬件设计基础上设计CAN通讯进行研究和探讨。仪表具体的工作过程为:由温度传感器把温度信号经桥路采样之后送信号处理,之后这两路模拟信号送AD/转换成数字信号,单片机对其

19、进行滤波,并完成定位补偿、斜率补偿及温度补偿(以25摄氏度为基准),最后由LCD显示并且经过D/A转换成4一20mA的模拟信号输出。系统采用了电可擦除可编程的只读EZPORM来保存需要永久记忆的数据和固定时刻内的数据等,并且加入了“看门狗”电路来监视CUP的工作。在通信方面,系统充分利用CAN总线在通信方面的优点,在RS一485总线基础上使用CAN总线进行通信,使用了CAN适配卡并自定义了应用层的通讯协议来实现上下位机之间的数据通信及命令传输。在系统中,通讯的数据主要包括实时数据、历史数据(包括温度数据、以及时间数据等)和报警信息等;传输的命令主要包括校时命令、历史数据查询命令等。图2.1 仪

20、表电路原理图2.2主要器件介绍2.2.1 CAN控制器SJAI000简介SAJ1000是理想的新一代产品,它适用于汽车和通用工业环境控制器局域网(ACN)的独立控制器,同时实现了新的运行方式一增强型CAN方式,支持有新功能的CAN2.OB协议。2.2.2 CAN收发器PCA82C250简介CPA82C25O是控制器局域网以N协议控制器和物理总线之间的接口。它主要应用在高速应用的场合,速度可达1MbpS。PCA82C250为总线提供差动的发送功能,为CAN控制器提供差动的接收功能。对于CAN控制器及带有CAN总线接口的器件,82C250并不是必须使用的器件,因为多数以N控制器均具有配置灵活的收发

21、器件,并允许总线故障,只是驱动能力只允许20一30个节点连接在一条总线上。而82C250支持多达110个节点,并能以MIbPs的速率工作于恶劣的电气环境下。利用82C250还可方便地在CAN控制器与收发器之间建立光电隔离,以实现总线上各个节点之间的电气隔离。2.3 CAN通讯模块2.3.1 CAN智能节点的总体设计1.硬件系统组成原理及通信过程所谓对等式通信,就是单片机多机系统中任一节点均可主动地与其它节点直接交换数据,而无须经过第三方。由于CAN为多主方式工作,因此网络上任意一个节点均可在任意时刻主动地向网络上的其它节点发送信息,而不分主从。系统中的每个节点由单片机、CAN控制器和CAN收发

22、器组成。单片机主要用于系统的计算及信息处理等功能;CAN控制器主要用于系统的通信;CAN收发器主要用于增强系统的驱动能力。系统的发送过程是:单片机将外围设备或其它节点传送来的信息处理后,按以N规范规定的格式将其写入以N控制器的发送缓冲区,并启动发送命令,把数据发送到CAN总线上。接收过程是:CAN控制器从CAN总线上自动接收数据,并经过滤后存入CAN接收缓冲区,且向单片机发出中断请求,此时单片机可从CAN接收缓冲区读取要接收的数据。图2.2 系统组成原理图2.CAN总线系统节点的构成该系统节点由CAN控制器和CAN驱动器组成。以N总线系统智能节点,采用AT89C55作为节点的微处理器,在CAN

23、总线通信接口中,采用PHILIPS公司的SJA1000和82C250芯片,SJA1000是独立的CAN通信控制器,82C250为高性能CAN总线收发器。该智能节点以ATMEL公司的AT89C55为核心,它是以51为内核的单片机。它包括32个1/0口,三个定时器、8个中断、8kFlash存储器、256内部RAM。它可以对现场温度、电压信号采集,通过AD/电路完成对现场模拟信号的转换,CAN总线网络主要完成把采集信号传给上位机和接收上位机的控制信号。为了实现CAN的通信功能,硬件电路设计了有CAN通信控制器SJA100O和CAN总线接口电路82C250组成的CAN通信电路。同时为了提高他们的抗干扰

24、能力,在他们之间加入了光电隔离电路,采用DC/DC电路提供独立电源。2.3.2 CAN总线通信接口电路以N总线系统智能节点硬件电路原理图主要由四部分构成,微控制器AT89C55,独立CAN通信控制器SJA100O,CAN总线收发器82C250和高速光电祸合器6N137。微处理器AT89C55负责SJA1000的初始化,通过控制SJAIO00实现数据的接受和发送等通信。图2.3 CAN 总线系统智能节点硬件电路原理图在硬件设计中为了增强CAN总线节点的抗干扰能力,SJA1000的TOX和ROX并不是直接与82C250的TXD和RXD相连,而是通过高速光电祸合器6N137后与82C250相连,这样

25、就很好地实现了总线上各CAN节点之间的电气隔离,不过需特别说明的一点是光祸部分电路所采用的两个电源Vc。和VD。必须完全隔离,否则采用光祸也就失去了意义。82C250与CAN总线的接口部分也采取了一定的安全和抗干扰措施,82C250的以HN和CANL引脚各自通过1个5。的电阻与以N总线相连,电阻可起到一定的限流作用,保护82C250免受过流的冲击,CAHN和CANL与地之间并联了2个3OpF的小电容,可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的作用,另外在两根以N总线接入端与地之间分别反接了一个保护二极管,当CAN总线有较高的负电压时,通过二极管的短路可起到一定的过压保护作用。82C250

26、的RS脚上与地之间的电阻Rs称为斜率电阻,它的取值决定了系统处于高速工作方式还是斜率控制方式,把该引脚直接与地相连,系统将处于高速工作方式,在这种方式下,为避免射频干扰,建议使用屏蔽电缆作总线;而在波特率较低,总线较短时,一般采用斜率控制方式,上升及下降的斜率取决于RS的阻值,实验数据表明15一ZOOK。为RS的较理想的取值范围,在这种方式下,可以使用平行线或双绞线作总线。3总线两端应接有两个120。的电阻,对于匹配总线阻抗起着相当重要的作用,忽略掉它们,会使数据通信的抗干扰及可靠性大大降低,甚至无法通信。为了CAN与单片机之间时序的同步,一般采用CAN控制器给单片机提供时钟信号,此时时钟信号

27、对CHMOS型单片机应接XTALI引脚,对MHOS型单片机应接XTALZ引脚。第3章 软件设计CAN 总线节点的软件设计主要包括：CAN 节点初始化，信息的接受和发送，要将 CAN总线应用于通信任务比较复杂的系统中，还需详细了解有关CAN 总线错误处理、总线脱离处理、接受滤波处理、波特率参数的设置和自动检测以及 CAN 总线通信距离和节点数的计算等方面的内容。3.1 初始化子程序 SJA1000 的初始化只有在复位模式下才可以进行，初始化包括工作方式的设置，接受滤波方式的设置，接受屏蔽寄存器 AMR 和接受代码寄存器 ACR 的设置，波特率参数设置和中断允许寄存器 IER 的设置等，流程图如图所示。图3.1 SJA1000 的初始化流程图3.2 信息接受和发送子程序图3.2 发送/接受中断服务程序流程图第4章 结论论文在阐述并研究了自动控制仪表的变