基于CAN总线的输入通道通信节点设计

1、南京工程学院自动化学院现场总线技术课程论文题 目: 基于CAN总线的模拟量 输入通道通信节点设计课 程 名 称： 现场总线技术 院（系、部、中心）： 专 业： 自 动 化 班 级： 姓 名：课程论文成绩评定： 指 导 教 师 签字：2011 年 11 月 5 日目 录1 概述2 硬件系统设计3 软件系统设计4 总结5参考文献基于CAN总线的模拟量输入通道通信节点设计CAN概述引言对于工业现场来说，如何将采集到的数据及时安全地传送给数据监控与处理系统是工业系统首要解决的一个实际问题，对于这一问题我们通常采用现场总线技术，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。它其实有实时性强、传输距

2、离远、抗电磁干扰能力强和成本低等优点，以其高性能、高可靠性和独立的设计而被广泛用于机电一体化、医疗器械，楼宇自控、工业控制等领域，本文利用CAN的优点，对基于CAN总线的温度测量进行了深入研究。系统总体结构方案CAN总线技术的控制系统一般采用总线式网络拓扑结构，其组成模式如图1所示，主要由上位计算机节点（包括工控PC机和CAN智能适配卡）、若干现场测控节点（文中所提的温度测量点）构成。图1 CAN总线系统结构框上位机负责与下位机的通信，动态显示各节点的工作状态和重要的现场参数以及报警信息等，并对各节点的控制参数，运行参数进行整定和修改。它是整个系统的中心，可实现强人的监控、管理功能。CAN通信

3、适配卡插在PC机的ISA总线扩展槽内，负责上位机和现场各测控节点之间的双向通信，既收集各个CAN节点上的数据转发给上位机，同时又把上位机的命令和数据转发到各节点。CAN节点可以是带CAN接口的智能传感器、智能控制器、智能数据采集卡和其他智能节点，各节点与底层设备，工业过程检测对象连接在一起，将来自CAN总线适配卡的命令解释后执行，并向CAN总线适配卡 报告自身信息和测量数据，CAN总线采用低成本的双绞线，根据不同的应用场合，其通信距离和速率可通过软件灵活配置。总线的每个末端均须接有抑制信号反射的终端电阻，其阻值应与总线介质的特性阻抗相匹配，使用双绞线是终端电阻一般取100-120欧，以便提高系

4、统通信的可靠性和抗干扰性。该系统中的电阻采用120欧 。如果忽略该电阻，会使数字通信的抗干扰性和可靠性大大降低，甚至无法通信。CAN通信的特点与其他同类技术相比，CAN在可靠性，实时性和灵活性方面具有独特的技术优势，其主要技术特点如下。（1）CAN总线上任一节点均可在任意时刻主动地向其他节点发出通信，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，分成不同的优先级，最高优先级的数据可在最多134us内得到传输，以满足控制信息的通信要求。（3）CAN采用载波监听多路访问，逐位仲裁的非破坏性总线仲裁技术。一是先听在讲，二是当多个节点同时向总线发送报文而引起冲

5、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地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。（4）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送接收数据，无需专门的“调度”。（5）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1Mb/s（此时通信距离最长为40m）。（6）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）的报文标示符几乎不受限制。（7）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。（8）CAN节点中均设有出

6、错检测，检定和自检的强有力措施。出错检测的措施包括发送自检，循环校验，位填充和报文格式检查。因而数据出错率低。（9）CAN的通信介质可为双绞线，同轴电缆或光纤，选择灵活。（10）CAN器件可被置于无任何内部活动的睡眠方式，以降低系统功耗。其睡眠状态可通过总线激活或者系统内部条件被唤醒。（11）CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输入功能，以使总线上其他节点的运行不受影响。CAN的技术规范CAN的技术规范包括A和B两个部分，CAN2.0A的规范所规定的报文帧被称为标准格式的报文帧，它具有11位标识符。而CAN2.0B中的标准格式与CAN2.0A所规定的标准格式兼容，都具有11位标识符。而CA

7、N2.0B所规定的扩展格式中，其报文帧具有29位标识符。因此根据报文帧标识符的长度，可以吧CAN报文帧分为标准帧和扩展帧两大类型。在CAN通信控制器的设计中，并不要求控制器执行完全的扩展格式，但必须能完全执行标准格式。控制器至少应具有以下特性，方可被认为与CAN技术规范兼容：每个控制器均支持标准格式；每个控制器均接受扩展格式报文，不至于因为格式的差异而破坏扩展帧。根据CAN报文帧的不同用途，还可以吧CAN报文帧划分为以下4种类型，数据帧，远程帧，出错帧，超载帧。数据帧用于从发送器到接收器之间传送所携带数据。远程帧用于请求其他节点为他发送具有规定标示符的数据帧。出错帧由检测出总线错误的节点发出，

8、用于向总线通知出现了错误。超载帧由出现超载的接收器发出，用于在当前和后续的数据帧之间增加附加延迟，以推迟接受下一个数据帧。不同类型的报文帧具有不同的帧结构。下面分别讨论这四种不同报文帧结构。（1）数据帧数据帧由7个不同的位场组成，即帧起始，仲裁场，控制场，CRC（校验）场，应答场和帧尾。数据帧中数据长的长度可为0.数据帧的位场排列如图所示。起始帧 ACK场（2）远程帧要求接收数据的节点可以通过向相应的数据源节点发送一个远程帧来激活该源节点，让他把该数据发送过来。远程帧由6个不同位场组成，起始帧，仲裁场，控制场，CRC场，答应场和帧结束。帧起始 ACK场（3）出错帧出错帧由两个不同场组成，第一个

9、场有来自各节点的出错标志叠加得到，后随的第二个场是出错界定符。出错帧的组成如图。数据帧 出错帧 帧间空间（4）超载帧超载帧包括两个位场，超载标志和超载界定符 如图所示多电机控制分析设计随着国民经济的飞速发展，交流电动机在工业生产中扮演了极为重要的角色，作为各行业中的主要拖动电机，应用更为广泛。众所周知，交流电动机在全压起动时，起动电流达到额定电流的57倍，会对电网造成冲击；起动转矩约为额定转矩的2倍，加剧机械结构磨损。为了解决交流电动机的起动问题，通常需要使用软起动器进行软起动。当前软起动器的监控一般由各自独立的监控单元进行，无法对整个系统实现全面的控制和监测。因此，建立一套数据通信系统将各软

10、起动监控节点连接起来，组成完整的监控网络就显得非常必要。相对于RS-485等通信标准，CAN（Controller Area Network）总线以其具有的诸多优点而在许多领域得到了应用。CAN总线是德国Bosch公司于上世纪80年代初推出的一种多主局域网，CAN通信网络是一种全分散、全数字化的智能双向、多变量、多点、多站的分布式通信体系，具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速度块、成本低等诸多优点。CAN总线是一种非常适合工业现场恶劣环境的通信方式。本文介绍了一种基于CAN总线的交流电机软起动通信系统。硬件设计软起动器CAN通信硬件设计软起动器的CAN通信由P89V51RD2单片机、C

11、AN控制器SJA1000、CAN总线收发器PCA82C250和光耦6N137组成，电路原理如图所示。软起动器CAN通信电路原理图SJA1000是一款独立的CAN控制器，具有BasicCAN和PeliCAN两种工作方式，PeliCAN工作方式支持具有很多新特性的CAN 2.0B协议。PCA82C250为总线收发器，主要功能是增大通信距离，提高系统的瞬间抗干扰能力，保护总线，实现热保护等。为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，SJA1000通过高速光耦6N137与PCA82C250相连，这样就很好地实现了总线上各CAN源隔离模块B0505提供。软件设计软起动器CAN通信程序设计软起动器上电后，首先进

12、行自检，自检完成后向工控机发送自检结果；若自检成功，工控机向软起动器发送软起动初始化参数和“允许起动”命令，电机开始软起动；软起动过程中，软起动器每隔100ms发送一次软起动数据，包括三相电压、三相电流、电机转速等信息；电机运行完毕，工控机发送“软停车开始”命令，软起动器开始控制电机软停车；当软起动器出现故障时，工控机会收到故障报警信号，同时显示故障原因。软起动器CAN通信程序主要包括三个部分：CAN节点的初始化，报文的发送和报文的接收。其中CAN节点初始化部分是关键，正确的初始化保证了报文发送和接收的正常工作。CAN初始化程序流程如图所示。报文发送时，只需将待发送的数据按照通信协议规定组合成一帧报文，送入发送缓冲区，然后启动发送即可。其程序流程图如图所示。报文的接收过程中，首先要对诸如总线脱离、错误报警等情况进行判断处理，然后读取缓冲区内数据，最后释放缓冲区和相关寄存器，完成接收并转入对数据的处理程序。其程序流程图如图所示。CAN报文接收程序流程图结束语本文介绍了一种基于CAN总线的温度测量节点的设计方案，与以往的系统相比，其最大的特点是各测量节点的精度和稳定性得到了很好的提高，增加了系统数据通信的速度与距离，增强了系统的抗干扰能力。另外，该测量节点稍加改进就可以应用到其它参数的测量系统中。参考文献：【1】 刘晓莉、高军、赵延明、ARM的CAN总线控制系统智能