范文基于CAN总线技术的汽车中央门锁硬件控制系统的设计

1、常州工学院机电工程学院毕业设计KC021-1建东职业技术学院毕 业 设 计 说 明 书题 目：基于CAN总线技术的汽车中央门锁硬件控制系统的设计二级学院（直属学部）： 机电工程学院 专业： 汽车服务工程 班 级: 06汽车一 学 生 姓 名： 苏庆虎 学 号： 06130120 指导教师姓名： 张凤娇 职 称： 讲 师 评阅教师姓名： 林 琳 职 称： 高级工程师 2010年 6 月建东职业技术学院毕业设计说明书摘 要随着现代汽车的快速发展，汽车电子设备不断增加，传统的线束已不能满足愈加复杂的控制系统,并且使得汽车运行可靠性降低，故障维修难度加大。CAN总线技术以其良好的运行特性，极高的可靠性

2、在汽车工业中应运而生。本文综合国内外汽车网络CAN技术的应用和发展状况，认为单纯依靠技术引进不利于长期发展，尽快消化、吸收和研发具有自主知识产权的基于CAN总线汽车电子产品才是长远之计。本文在硬件选型上选材注重性价比，微处理器采用AT89C51，CAN通讯控制器采用SJA1000，CAN总线驱动器采用PCA82C250。设计出一个中央控制节点和四个门锁控制节点电路，这些节点电路具有通用化性能，可用于进行其它系统的设计。把这五个节点直接连接到CAN总线网络中，即可实现基于CAN总线的汽车中央门锁网络控制系统。关键词：CAN总线 汽车 中央门锁 微处理器目 录引 言1第一章 车载网络CAN总线技术

3、31.1车载网络简介31.1.1汽车网络的分类31.1.2车载网络的拓扑结构分类31.2 CAN总线技术31.2.1 CAN总线的特点41.2.2 CAN的技术特色41.2.3 CAN协议介绍51.2.4 CAN总线的数据传输71.2.5 CAN总线的数据链路控制81.3 CAN总线的应用与发展9第二章 系统的节点设计112.1CAN总线中央门锁节点硬件选型设计112.1.1 AT89C51单片机112.1.2 CAN协议转换芯片CAN控制器SJA1000152.1.3 CAN总线收发器PCA82C250182.2 CAN总线汽车中央门锁最小系统设计212.3 CAN节点抗干扰设计22第三章

4、系统整体设计233.1传统中央门锁电路233.2 CAN中央门锁的控制原理框图2323.3系统电路整体设计243.4 PCB封装设计27第四章 基于CAN总线汽车中央门锁系统软件设计304.1初始化304.1.1复位模式和操作模式304.1.2 CAN控制器的设定304.1.3流程图324.2发送324.2.1查询控制的发送334.2.2中断控制的发送334.3接收364.3.1查询控制的接收364.3.2中断控制的接收36结论和展望38致谢40参考文献41II建东职业技术学院毕业设计说明书引 言一、课题研发背景传统的汽车电子门锁采用点对点的方式与汽车车身的其他电子设备互联，伴随着汽车电子网络

5、化的趋势，汽车电子门锁开始逐渐采用网络化的结构。CAN（Controller Area Network）数据总线是一种极适应于汽车环境的汽车局域网。是Bosch公司在80年代初为解决数据可靠交换而开发的一种串行数据通信总线。我国在汽车电子方面的研究起步较晚，对应用于汽车领域CAN协议的研究尚处于起步阶段。鉴于CAN在现代汽车电子化进程中的重要作用，自主研制支持CAN 规范的汽车电子产品，并使之尽快产业化，势必在行。 二、国内外研究现状及发张动态 控制器局域网CAN是80年代初博士公司为解决现代汽车中众多控制单元，测试仪器之间的实时数据交换而开发的一种串行通信协议，经多次修订，于1991年9月形

6、成规范2.0版本13。该版本包括2.0A和2.0B两部分两种格式。其中2.0A给出了报文标准格式，2.0B给出了报文的标准和扩展。虽然CAN总线标准已推出多年，但我国的汽车CAN总线技术起步较晚，在国内的应用开发还刚刚开始，尽管经过了很大的努力中国在开发车载网路ECU遭遇深层次的考验，目前还没有实力帮助汽车制造商部署一个CAN网路。据业内认识介绍，目前还主要是开发支持CAN的车载设备，配合某种车型的CAN网路使自己的产品支持这种通信协议。国内车载网路的现状，在ECU中嵌入车载网路已做得不错，但与车载网路相关的工作还十分欠缺。传统的电器系统大多采用点对点的担忧通信方式，相互之间少有联系，这样必然

7、造成庞大的布线系统。据统计，一辆采用布线方法的高档汽车中，其导线长度可达2000米，而且该数字大约每年增长1倍，从而加剧了粗大的娴熟与汽车有限的可以空间之间的矛盾。另外，在汽车中增加新的用电设备对娴熟的改动很大，一般只能从外面加线，从而使线路更加另复杂。所以，无论从材料成本还是工作效率看，传统布线方式将不能适应汽车的发展。1617本文利用现场总线技术的目的是为了实现汽车中央门锁控制系统的智能化和门锁控制系统的网络化，并且为汽车整车的网络化提供一个有效地参考模型。智能化是采用微处理器嵌入技术，对汽车电控系统中的各个测控部件进行数字化改造，使之在成为一个智能化的仪表或执行器的同时具备网络通信能力，

8、从而为汽车网络化控制做好准备。网络化就是在智能化和接电话的基础上，采用术语网络技术的现场总线将所有汽车测控部件连接起来，在网络测控软件的支持下形成一个有机的网络控制系统。本研究的经济意义在于废除线束系统，从而有利于降低系统的综合成本。技术意义是为汽车性能的高档次提供技术平台，形成新产品和技术储备。三、本文主要工作本论文的主要工作之一就是通过大量的查阅资料，了解汽车网络技术的发展和趋势，包括在汽车中常用的各种网络协议，并深入理解CAN协议，为具体应用奠定良好的理论基础。并且通过自己深入的了解学习掌握单片机结构和气扩展的基础知识，学习电子的设计与开发，利用protel软件绘制电路图，最后制作PCB

9、电路本。本论文的主要机构：（1）了解车载网络技术基础知识：网络技术和主流协议的研究；（2）深入研究CAN总线的；（3）中控门锁的结构与工作原理；（4）CAN总线系统的节点设计；（5）车身控制局域网络设计；（6）PCB电路板的设计与制作。第一章 车载网络CAN总线技术1.1 车载网络简介随着汽车技术的不断发展，汽车上采用的计算机数量越来越多，多个处理器之间相互连接、卸掉工作并共享信息构成了汽车车载计算机网络系统，简称车载网路。车载网路运用多路传输技术，采用多条不同速率的总线分别连接不同类型的节点，并使用网关服务器来实现整车的信息共享和网络管理。11.1.1 汽车网络的分类7（1）SAE的分类目前

10、存在多种汽车网络标准,为了方便和设计应用.SAE车辆网络委员会将汽车数据传输网划分A、B、C、D三类。A类 面向传感器/执行器控制的低速网络，数据传输位数率只有1-10kbit/s，主要应用于电动门窗、中控锁、座椅调节、灯光照明控制。B类 面向独立模块间数据共享的中速网络，为速率一般为10-125kbit/s。C类面向高速、实时闭环控制的多路传输网，最高位速率1Mbit/s，主要用于发动机和自动变速器的动力控制、防滑控制、悬架控制等系统，一简化分布式控制和进一步减少车身线束。D类 暂无定义A、B、C类网络均向上涵盖，即C类网络能同时实现B类网络和A类网络功能，B类网络支持C类网络功能，但是不同

11、位速率或不同协议的网络联网必须设备间网关。但须注意D类网络还没明确的定义。（2）安领域分类按照领域分类 可分为：动力系统/地盘系统；舒适系统/车身；信息娱乐；诊断；X-by-Wire。1.1.2车载网络的拓扑结构分类（1）中控式控制中控式系统中，唯一的中央计算机控制一切运行，因此需要中央计算机具有超强的工作能力，一旦其运行出现故障，整个网络都将瘫痪。（2）区域式控制区域式控制有了明显的改进，其网络分布很完善，但其二级系统间人缺乏有效的链接，而他们之间也是需要相互交流信息。（3）分配式控制分配式控制系统由一个具有充当“管理者”角色的电脑网关负责二级系统间计算机的连接。它不仅具有所有信息的交汇点，

12、而且还管理不同系统间信息的交流。这是目前汽车上采用的信息传输控制方式。1.2 CAN总线技术313CAN （Controller Area Network控制器局部网）是一种由带CAN控制器组成的高性能串行数据局部通信网络，是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN协议最初是由德国Bosch公司在20世纪80年代初为解决现代汽车内部大量的控制测试仪器与传感器、执行机构之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，其总线规范已被ISO标准组织制定为国际标准。CAN是一种多主总线系统，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤，其传输距离在通信速率为5kbps下可达10km，且具有抗干扰能力强等诸多优点，因

13、而CAN总线被认为是最有发展前途的现场总线之一。由于CAN总线本身的优点，它的应用范围己不再局限于汽车行业，目前已广泛应用于工业自动化、各种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等领域8。1.2.1 CAN总线的特点CAN数据总线将各个控制单元组合成一个整体，使所有信息都沿总线传输，与所连接的控制单元数及所涉及的信息量的大小无关，这样就解决了随着新增信息量的加大，线路及控制单元撒谎那个插头的书面不断增加的问题，使其不同信息需要不同线路的问题也得以解决。主要特点：（1）CAN是目前为止唯一具有国际标准且陈本较低的现场总线。（2）CAN节点多主方式工作。网络上任一节点均可在任意时刻主动地向

14、网络上其他节点发送信息，而不分主从，有极高的总线利用率。（3）在报文标示符上，CAN上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，优先级高的数据最多可在134ms内得到传输。（4）CAN采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息出现冲突时，优先级低的节点会主动退出发送，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。尤其是在网络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪的情况。（5）CAN的直接通信距离最远可达10km(速率5kb/s)；通信速率最高可达1Mb/s（此时通信距离最长为40m）。（6）CAN节点只需通过报文的标示符滤波即可实现点对点、一点对多点及

15、全局广播等几种防滑死传送、接受数据。（7）CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个。在CAN2.0A标准帧报文标示符11位，而在CAN2.0B扩展帧报文中标示符有29位，使节点的个数几乎不受限制。（8）报文采用短帧机构，传输时间短，受干扰概率低，使数据的出错率降低。（9）CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，具有极好的检错效果。（10）CAN的通信介子可选择双绞线、同轴电缆或光纤。（11）CAN节点在错误严重的情况下，具有自动关闭输出的功能，以使总线上其他节点的操作不熟影响。而且发送的信息遭到破坏后，可以自动重发。如前所述，各节点直接挂接在总线上，从而组成了多主机结构，

16、即每一个节点都是一个主机，因而CAN是一种多主方式的串行通信总线。1.2.2 CAN的技术特色 CAN协议具有许多优势，包括它能让设计者很容易地为CAN系统新增或移除网络中的节点，而且不会影响其他网络。CAN系统中的分散性微控制器无需依赖中央的主控制器就能收发信号，从而让信号的流量管理更有效率，也有助于减少内部线路的需求。 在CAN系统中，每个节点的地位是相同的，也就是说只要总线处于闲置状态，每个控制器节点都可以传送信号给任何其他的控制器。控制器所发出的每个信号都有自己的识别码，因此各个节点会接收与自己相关的信号，并忽略不相关的信号。更重要的是，在此机制中，当任何控制器出现故障时，系统中的其他

17、装置仍然能够正常运作，并能保持无障碍的通信能力。 在应用上，CAN协议通常是用来传送信号以触发某些事件，例如在急刹车时拉紧安全带或传送测量到的数据（如温度值或压力值），因此在它的定义中限定所传送的信号不会大于8字节。它不会去中断任何进行中的通信行为，但会为发出的信号设定优先权，以避免产生信号之间的冲突，并确保紧急的信号能够被优先传送。不仅如此，此协议还具备误码检查的机制，让整个通信过程更可靠。此传输规范具有很高的效能，在CAN系统中每秒可传送7600个8字节信号或1800个触发信息。 一般来说，CAN协议具有以下特性： （1）信号的优先次序； （2）对延迟时间的保证； （3）配置上的弹性； （

18、4）提供具有时序同步性的多点传输接收功能； （5）系统级的宽数据一致性；（6）多主机架构；（7）误码侦测和误码信息； （8）当总线出现空档时，会立即自动重传损毁的信号； （9）能分辨节点的暂时性错误和永久性错误，并自动地关掉确定失常的节点。 1.2.3 CAN协议介绍CAN协议是参考ISO/OSI的7层协议模式而做定义的，但因它主要是用来传送简短且简单的信号，而且是一封闭性的系统，并不需要负责系统的安全、产生用户接口的数据，以及监控网络的登入等动作，因此只涉及了实体层和数据链接层的定义。 （1）实体层规范特性 实体层负责的是网络中节点与节点之间的连结，以及在铜线、同轴缆线、光纤，甚至是无线信号

19、的实际电性脉冲传送。传送器的实体层会把从数据链接层来的数据转换为电子信息，再传送出去；在接收端，实体层将这些电子信息传换为数据格式，再传送到数据链接层。 在一个网络系统中，要确保各个节点之间能够顺利地沟通，先决条件是每个节点的实体层特性必须是相同的，而CAN实体层的作用就在于规范位表示法、位时序及同步性，通常还包括脚位连接器和接线的型式。CAN由两条序列总线（CAN_H和CAN_L）实时传输数据，传输速率可高达1Mb/s。理论上，每个CAN总线最多可连结2032个节点，但受限于收发器的功能，实际运用上最多大约可连结100个节点，而在一般的运用上则大约是连结310个节点。CAN实体层示意图如图1

20、-1所示。图1-1CAN实体层架构示意图（2）数据链接层规范特性：总线仲裁 CAN数据链接层可以说是CAN功能的核心，其目的在于建立数据信框封包，在信框内包含数据和控制数据。数据链接层的主要功能之一，就是当系统中出现两个信号同时想使用网络中的相同资源时，如何防止冲突的发生。这就是所谓MAC（Medium Access Control）功能。在CAN协议中，MAC功能会让具有最高优先权的数据信框优先使用总线的网络资源，此机制对于网络效能的影响很大。在网络的接取控制上有两大方向，即先决式和随机式。在先决式的接取控制中，总线的使用权必须在节点接取总线前就预先定义好了，以确保不会发生任何冲突。此类网络

21、需要一个中央管控装置来进行网络管理，但一旦此装置失常，整个网络就无法运作；也有非中心化的架构，但相对会复杂许多。 在随机式接取控制中，当总线闲置时，每个节点都能够要求使用网络资源。最常见的随机式接取控制方式是载波侦测多重存取（Carrier Sense Multiple Access，CSMA），CSMA又分成限制或防止信号碰撞的CSMA/CA方式和允许碰撞再进行处置CSMA/CD方式。由于CSMA/CD较浪费频宽资源及会产生较长的延迟性，因此CAN采用的是CSMA/CA的方式，此作法又称为非破坏性的按位仲裁机制。 CAN协议让优先权较高的信号先接取使用总线资源，在每个信号信框的一开始处就存在

22、仲裁域，仲裁域中有一个识别码，识别码的数值越小，表示其优先权限越高。此作法能有效地利用总线资源，其具有最高优先权的信号，最大的延迟时间大约只有150ms。 在CAN的2.0A标准中，一开始定义识别码的长度为11位，后来因市场的需求又提出了延伸性的2.0B版本。2.0B的格式通常被称为延伸性CAN，它允许29位的识别码，而且有主动及被动式两种：2.0B主动，也就是能收、发延伸信框的节点；以及2.0B被动，它会放弃掉接收到的延伸信框。2.0B的29位识别码能够提供51200万个独特的信号及优先等级，足以满足来自越来越多节点的大量存取要求。 （3）数据链接层规范特性：信框格式 所谓的信框即包含由传送

23、器送出的完整信号的数据封包。在CAN协议中具有4种信框，即数据信框、远程信框、误码信框及额外负载信框。以下主要介绍数据信框的组成。 数据信框包含了识别码和各种控制信息，以及最多8字节的数据。其基本组成包括：信框开始、仲裁域（又包括识别码和RTR）、控制域（又包括IDE、r0和数据长度码）、数据域、循环冗余码检验域、确认域，以及信框终点等，如图1-2所示。图1-2延伸型CAN的数据信框组成架构其中控制信息是用来识别信框，决定对总线的使用，以及进行误码侦测。控制信息的另一项主要功能，就在于能够分辨出某一信号是否已损毁了。当数据在任何网络中传送时，随机性的误码是很常见的，所以数据链接层的重要任务之一

24、，就是要限制这类错误的发生。CAN的特色之一，就是可以通过5种方式来进行误码侦测，进而能掌控错误的发生。这5种方式包括：位检验、信框检验、循环冗余码检验、确认检验和填充规则检验。透过这些方式，CAN系统中未被发现的错误发生率能够有效地被降低到4.7×10-11。 此外，当损毁的信号被发现后，侦测到错误的节点会对这个信号做记号，其他节点会忽视这些信号，并等待正码信号再被重传。如果没有更多的错误出现，从侦测到重传的恢复是29个位时间。1.2.4 CAN总线的数据传输CAN和OSI七层参考参考模式，按照IEE 802.2和IEE802.3标准，其通信接口继承了CAN协议的物理层和数据链路层

25、功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环同于检验及优先级判别等项工作。在系统中，数据按照携带的信息类型可分为四种帧格式。（1）数据帧 用于节点间传输数据，是网络信息的主体，其帧格式如图1-3所示。一个数据帧有七个不同位场构成：帧起始、仲裁场、控制场CRC场、ACK场合帧结束。其中数据段长度可编程08个字节。图1-3数据帧格式（2）远程帧 由在线单元发送，用于请求发送具有相同标示符的数据帧，其帧格式与数据帧基本相同，但没有数据场，如下图1-4。图1-4远程帧 （3）出错帧 出错帧是检测总线出错的一个信号标志，由两个不同场构成。第一个场由来自不同节点的错误标志叠加，第二个场为

26、错误界定符。CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证数据通信的可靠性。起格式如图1-5。图1-5出错帧（4）超载帧 有超载标识和超载界定符组成，表明逻辑链路控制层要求的内部超载状态，并将由媒体访问控制层的一些出错条件而被启动发送。用于扩展帧序列的延迟时间。起帧格式如图1-6。图1-6超载帧1.2.5 CAN总线的数据链路控制系统中，CAN总线以报文为单位进行数据传输，节点对总线的访问采取取位仲裁方式。报文起始发送节点标识符和地址标知识符。CAN协议的最大特点是打破了传统的节点地址编码方式。采用这种方法可是不同节点同时接收到相同的数据。数据块的标识符可用11位或29为二进制表示，

27、即可定义211或229个不同的数据类型。标识符的值越小，帧数据的优先级越高。通过数据链路控制，每个接收器完成帧接收滤波确定此帧数据是否有效。CAN控制器监听总线电平决定发送接收是否有效，实际应用中一般采用不冗余的通信线路,而CAN协议提供强大的出错诊断机制，在保证数据通信的可靠性放方面起了重要作用。 CAN总线的组成：CAN总线有一个控制器、一个收发器、两个数据传输终端以及两条数据传输组成。除数据传输线外，其他元件都置于控制单元内部。（1）CAN控制器CAN 控制器是用来控制单元中微电脑传来数据，对这些数据进行处理并将其传往CAN总线收发器。同样CAN控制器也接收由CAN收发器传来的数据，对这

28、些数据进行处理并将其传往控制单元中的微电脑。在CAN的网络层次机构中，数据链路层和物理层是保证通信质量至关重要、不可缺少的部分，也是网络协议中最复杂的比分。CAN控制器就是扮演这个角色，它是以一块可编程电路的组合来实现这些功能，对外它提供了与微处理器的无聊线路的接口。通过它的编程，CPU可以设置它的工作方式，控制它的工作状态，进行数据的发送与接收。目前，一些知名的半导体厂家都生产CAN控制器芯片，如INTEL，PHILIPS，MOTOROLA，SIMENS，NEC，SILIONI等。其类型一种是独立CAN控制器，使用起来比较灵活，可以与多种类型的单片机，微型计算机的各类标准总线进行接口组合，如

29、INTEL 82526，PHILIPS 82C200，PHILIPS SJA1000,SIMENS 81C90/91，NEC 72005等；另一种是和微处理器做在一起的在片CAN控制器，它们在许多特定情况下，使电路设计简化和紧凑，效率提高，如PHILIPS 8XC592，MOTOROLA 68HC05X4，SIMENS C167C等。（2）CAN 收发器CAN收发器将CAN控制器传来的数据转化为电信号并将其送入数据传输线，也为CAN控制器接收和转发数据CAN收发器提供了CAN控制器与物理总线之间的接口是影响系统网络性能的关键部件之一。CAN总线收发器主要有PHILIPS 82C250，PHIL

30、IPS TJA1040,SILIONI SI9200等。（3）数据传输终端数据传输终端是一个电阻器，作用是防止数据在线段被放射，并以回声的影视返回。（4）数据传输线数据传输线是双向对数据进行传输的，两条传输线分别被称为CAN高线和CAN底线，为了防止外界电磁波的干扰和向外辐射，CAN总线将两条线缠绕在一起。这两条线的电位相反，如果一条是5v，另一条就是0v，始终保持电压综合为一常数。通过这种方法，CAN数据总线得到了保护，使其免受外界的电磁场干扰，同时CAN数据总线向外辐射也保持中性，即无辐射。1.3 CAN总线的应用与发展CAN总线最先由Bosch公司提出，如今已经得到了广泛的应用，CAN总

31、线在初期主要是应用在汽车领域，欧洲几乎每一辆新客车均装配有CAN局域网。同时随着CAN总线技术的不断发展，如今CAN的应用领域已经不再局限于汽车，在很多领域都有CAN的应用，包括：自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域。作为最有前途的现场总线，CAN已经成为全球范围内最重要的总线之一 甚至领导着串行总线。在1999年，接近6千万个CAN控制器投入应用；2000年，市场销售超过1亿个CAN器件。CAN总线与一般的通信总线相比，其数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。由于其良好的性能及独特的设计，CAN总线越来越受到人们的重视

32、。它在汽车领域上的应用是最广泛的，世界上一些著名的汽车制造厂商，如BENZ(奔驰)、BMW(宝马)、PORSCHE(保时捷)、ROLLS-ROYCE(劳斯莱斯)和JAGUAR(美洲豹)等都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。在医疗器械方面，目前，SIEMENS公司生产的CT断层扫描仪已采用了CAN总线，改善了该设备的性能。Philips公司医疗系统已经使用CAN构成X光机的内部网络。在航空航天领域，CAN总线技术已经被应用到小卫星上。在过程工业、自动控制等领域，CAN总线在最近几年也得到了很广泛的应用，象分布式在线检测系统，分布式运动控制系统，智能寻位系统等等

33、。CAN具有广阔的发展前景，随着CAN总线在汽车工业的广泛应用，存在大量潜在的新应用（例如：娱乐）。同时，结合高层协议应用的特殊保安系统对CAN的需求也正在稳健增长。德国专业委员会BIA和德国安全标准权威TUV 已经对一些基于CAN的保安系统进行了认证。CAN open-Safety 是第一个获得BIA许可的CAN解决方案，DeviceNet-Safety 也会马上跟进。全球分级协会的领导者之一，Germanischer Lloyd正在准备提议将CANopen 固件应用于海事运输。在国内，尽管CAN总线技术得到了很广泛的应用，但是将CAN总线网络应用到应变测试系统和结构疲劳实验，还处于发展的初

34、期阶段，因此研究开发基于CAN总线技术的测试系统具有很大的实际意义。第二章 系统的节点设计2.1 CAN总线中央门锁节点硬件选型设计节点是网络上信息的接受和发送站，在本系统的设计中，CAN节点的设计是核心。CAN总线系统中共有两种类型的节点：不带微处理器的非智能节点和带微处理器的智能节点。智能节点是由微处理器和可编程的CAN控制芯片构成的，在本系统中，采用智能节点，选用ATMEL公司生产的自带存储器的AT89C51单片机做节点的微处理器。目前市场上最常见的CAN总线产品按照控制器芯片的功能来分有两种：一种是独立的CAN控制器芯片，如Philips的PCA82C200和SJAl000：一种是集成

35、到微控制器中的控制器芯片，其中有8位微控制器芯片，如Philips的PSXC59X系列芯片，有16位控制器芯片，Motorola的68HC912系列以及32位微控制器芯片，如Motorola的MC6837系列芯片和带有CAN的DSP芯片，如TI的TMS320LF24系列芯片。由于SJA1000在汽车工业上的先进性我们选择PHLIPS 公司的独立CAN控制器SJA1000。对于CAN控制器与物理总线间的接口芯片主要有PHILIPS 82C250，PHILIPS TJA1040,SILIONI SI9200，本设计中CAN总线收发器采用PHILIPS 82C250。本论文核心任务是通过使用CAN协

36、议建立一个车身控制器局域网，由于本设计用到了以上所提的器件，下面对这些芯片逐一进行详细介绍。22.1.1 AT89C51单片机单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）简称单片机。它是把组成微型计算机的各功能部件：中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通讯接口等部件制作在一块集成芯片中，构成一个完整的微型计算机。由于它的结构与指令功能都是按照工业控制要求设计的，故又叫单片微控制器（Single Chip Microcontroller）。68AT89C51系列单片机是ATMEL公司生产的，它是基于Intel公司

37、的MCS51系列而研制的并与MCS51兼容的8位单片机。如图2-1是AT89C51的结构框图。（1）结构图图2-1 AT89C51结构框图AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除之都存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪

38、烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。（2）主要特性：4k字节可编程闪烁存储器全静态工作：0Hz-24Mz三级程序存储器锁定128´8位内部RAM32可编程I/O线两个16为定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的限制和断电模式片内振荡器和时钟电路（3）引脚图：AT89C51/LV51的引脚结构图2-2，有双列直插封装（DIP）方式和方形封装方式。下面分别叙述这些引脚功能图2-2 AT89C51引脚 主电源引脚 Vcc：电源端。GND：接地

39、端。外接晶体引脚XTAL1和XTAL2。XTAL1：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。当采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。XTAL2：接外部晶体的另一个引脚。在单片机内部，它是上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，此引脚应悬浮不连接。 控制或与其他电源复用引脚RST，ALE/ ,和/VppRST：复位输入端。当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/ ：当访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出用于锁存地址的地位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不

40、变的频率（此频率为振荡器频率的1/6）周期性地出现脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是：每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。在对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（）。如果需要的话，通过对专用寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置数。可禁止ALE操作。该位置数后，只有在执行一条MOVX或MOVC指令期间，ALE才会被激活。另外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，该设定禁止ALE位无效。：程序存储允许（）输出是外部程序存储器的饿读选通信号。当AT89C51/LV51由外部程序存储器取指令（或常数）时，每个机器周期两次有效（

41、即输出2个脉冲）。但在此期间内，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。/Vpp：外部访问允许端。要使CPU只访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），则端必须保持低电平（接到GND端）。要注意的是，如果保密位LB1被编程，复位时在内部会锁存端的状态。当EA端保持高电平（接Vcc端）时，CPU则执行内部程序存储器中的程序。在Flash存储器编程期间，该引脚也用于施加12V的饿编程允许电源Vpp（如果选用12V编程）。 输入/输出引脚P0.0P0.7,P1.0P1.7,P2.0P2.7和P3.0P3.7。P0端口（P0.0P0.7）：P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口。作

42、为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL输入，对端口写1时又可作高阻抗输入端用。在访问外部程序和数据存储器时，它是分时多路转换的饿地址（低8位）/数据总线，在访问期间激活了内部的上位电阻。在Flash编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。P1端口（P1.0P1.7）：P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P1的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P1作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（IIL）。在对

43、Flash编程和程序校验时P1接收低8位地址。P2端口（P2.0P2.7）：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P2作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（IIL）。在对Flash编程和程序校验期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。P3端口（P3.0P3.7）：P3是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，

44、这时可用作输入口。P3作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（IIL）。在AT89C51中，P3端口还用于一些复用功能。复用功能如表2-1所列。在对Flash编程和程序校验期间，P3还接收一些控制信号。表2-1 P3各端口引脚与复用功能表端口引脚复用功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2（外部中断0）P3.3（外部中断1）P3.4T0（定时器0的外部输入）P3.5T1（定时器1的外部输入）P3.6（外部数据存储器写选通）P3.7（外部数据存储器读选通）2.1.2 CAN协议转换芯片CAN控制器SJA1000CAN的通信协议主要

45、由CAN控制器完成。CAN控制器主要由实现CAN总线协议部分和微控制器接口部分组成。不同型号的CAN总线通信控制器，实现CAN协议部分电路的结构和功能大都相同，而与微控制器接口部分的结构及方式存在一些差异。SJA1000是一种独立CAN控制器，它在汽车和普通的工业应用上有先进的特性。它是Philips半导体公司PCA82C200控制器的替代产品，而且它增加了一种新的工作模式PeliCAN，这种模式支持具有很多新特征CAN2.0B协议 7。（1） SJA1000主要特性： 器件管脚和电器特性均和PCA82C200兼容； 时钟频率24MHz； 支持CAN协议2.0标准； 位速率可达1Mbps； 同

46、时支持11位标识符和29位标识符； 扩展的接收缓冲器（增至64个字节，PCA82C200只有20个字节）； 对不同微处理器的接口； 可编程的CAN驱动器输出； 基本和Peli两种应用模式。（2） SJA1000硬件功能和结构SJA 1000内部逻辑框图如图2-3所示，其各部分功能如下：图2-3 SJA1000内部逻辑框图接口管理逻辑（IML）：接收来自微控制器的命令，分配控制信息缓存器（发送缓存器、接收缓存器0和接收缓存器1），并为微控制器提供中断和状态信息。 发送缓冲器（TXB）：是CPU和BSP（位流处理器）之间的接口，能够存储发送到CAN网络上的完整信息。缓冲器长13个字节，由CPU写入

47、、BSP读出。 接收缓冲器（RXB,RXFIFO）：是验收滤波器和CPU之间的接口，用来储存从CAN总线上接收的信息。接收缓冲器（RXB,13个字节）作为接收FIFO（RXFIFO，长64字节）的一个窗口，可被CPU访问。CPU在此FIFO的支持下，可以在处理信息的时候接收其他信息 。 验收滤波器（ACF）：用以比较总线上的报文标识符和接收滤波器内容，判别是否接收报文。 位流处理器（BSP）：是一个系列发生器，用以控制发送缓冲器、接收缓冲器和CAN总线之间的位流。它还负责仲裁、位填充、错误界定以及错误处理等功能。 位时序逻辑（BTL）：监视串口的CAN总线和处理与总线有关的位时序。它在信息开头

48、的总线传输时同步CAN总线位流（硬同步），接收信息时再次同步下一次传送（软同步）。BTL还提供了可编程的时间段来补偿传播延迟时间、相位转换（例如，由于振荡漂移）和定义采样点和一位时间内的采样次数。 错误管理逻辑（EML）：EML负责传送层模块的错误管制。它接收BSP的出错报告，通知BSP和IML进行错误统计。SJA1000有28个引脚，如图2-3所示。地址数据复用总线8根，与总线连接的串行输入输出线4根。SJA1000既可以和Intel公司的MCS-51系列及MCS-96系列微控制器直接连接，又可以和Motorola公司的68XX家族芯片直接连接。当MODE端为高电平时，芯片工作在Intel模

49、式下，为低电平时，工作在Motorola模式下。脚用于给微控制器提供中断信号，低电平有效，内部中断寄存器的内容被读取后，该引脚又恢复高电平状态2。图2-4SJA1000引脚图SJA1000控制器的引脚功能如表2-2所示。表2-2 SJA1000引脚功能名称符号引脚号功能描述AD7AD01，2，2328地址/数据复合总线ALE/AS3ALE输入信号（Intel模式），AS输入信号（Motorola模式）4片选信号输入，低电平允许访问SJA1000（）/E5微控制器的信号（Intel模式）或E使能信号（Motorola模式）6微控制器的信号（Intel模式）或/使能信号（Motorola模式）CL

50、KOUT7SJA1000产生的提供给微控制器的时钟输出信号，它来自内部振荡器且通过编程分频；时钟分频寄存器的时钟关闭位可禁止该引脚输出Vss18接地XTAL19输入到振荡器放大电路；外部振荡信号由此输入1XTAL210振荡放大电路输出；使用外部振荡信号时漏极开路输出1MODE11模式选择输入：1= Intel模式；0=Motorola模式VDD312输出驱动的5V电源名称符号引脚号功能描述TX013从CAN输出驱动器0输出到物理线路上TX114从CAN输出驱动器1输出到物理线路上Vss315输出驱动器接地16中断输出，用于中断微控制器；在内部中断寄存器的任一位置1时，低电平有效；开漏输出，且与

51、系统中的其他输出是线性关系。此引脚上的低电平可以把该控制器从睡眠模式中激活17复位输入，用于复位CAN接口（低电平有效）；引脚通过电容连到Vss，通过电阻连到VDD，可自动上电复位（如：C=1µF；R50K）VDD218输入比较器的5V电源RX0,RX119,20从物理的CAN总线输入到SJA1000输入比较器；显性电平将唤醒SJA1000的睡眠模式；如果RX1电平比RX0的高，就读显性电平，反之读隐性电平；如果时钟分频寄存器的CBP位被置1，CAN输入比较器被旁路以减少内部延时；当SJA1000连有外部收发电路时，只有RX0被激活，隐性电平被认为是逻辑高而显性电平被认为是逻辑低Vs

52、s221输入比较器的接地端VDD122逻辑电路的5V电源注： 1、寄存器在高端CAN地址区被重复（8位CPU地址的最高位是不参与解码的；CAN地址32是和CAN地址0连续的）； 2、测试寄存器只用于产品测试。正常操作中使用这个寄存器会导致设备不可意料的结果； 3、许多位在复位模式中是只写的（CAN模式和CBP）。2.1.3 CAN总线收发器PCA82C250PCA82C250是CAN控制器与物理总线间的接口，最初用于汽车中高速扩展应用。它向总线提供了差动的发送能力，向CAN控制器提供了差动的接收能力。17（1）PCA82C250的主要性能与ISO/DIS11898标准兼容； 高速（最高可达1M

53、bps）； 具有抗汽车环境下的瞬间干扰，保护总线能力；降低射频干扰（RFIRadio Frequency Interference）的斜率（slope）控制； 热防护； 防护电池与地之间发生短路； 低电流待机模式； 某一个节点掉电不会影响总线； 可有110个节点相连接。（2）PCA82C250的硬件结构和功能PCA82C250的功能框图如图2-5所示，其基本性能参数见表2-3。图2-5 82C250结构图82C250驱动电路内部具有限流电路，可防止发送输出级对电源、地或负载短路。若节点温度超过160时，两个发送器输出端极限电流将减小，由于发送器是功耗的主要部分，因而限制了芯片的温升。82C25

54、0采用双线差分驱动，有助于抑制汽车等恶劣电器环境下的瞬变干扰，表2-3是82C250的基本性能数据。82C250有8个引脚，如图3.5所示，其引脚功能见表2-4。表2-3 82C250基本性能数据符号参数条件最小值典型值最大值单位VCC电源电压4.55.5VICC电源电流170mA1/tbit发送速率最大值非待机模式1MbitVCANCANH，CANL输入/输出电压0VVCC5.5V-8-2+18VV差动总线电压V1=1V1.53.0Vd传播延迟高速模式50sTamb工作环境温度-40+125图2-6 82C250引脚图表2-4 82C250引脚功能符号引脚功能TXD1发送数据输入端GND2地

55、VCC3电源电压RXD4接收数据输出端VREF5基准电压输出端CANL6低电平CAN电压输入/输出端CANH7高电平CAN电压输入/输出端RS8斜率电阻输入端其中，引脚8（RS）可用于选择三种不同的工作方式：高速、斜率控制和待机，方式选择如表：表2-5 引脚RS用法RS提供电流条件工作方式RS上的电压或电流VRS>0.75VCC待机方式IRS<10A10A< -IRS<200A斜率控制0.4 VCC< VRS<0.6 VCCVRS>0.3VCC高速方式-IRS<500A在高速工作方式下，发送器输出晶体管以尽可能快的速度启闭，在这种方式下不采取任何

56、措施限制上升和下降频率，此时建议采用屏蔽电缆以避免射频干扰问题的出现。通过把引脚8接地可选择高速工作模式。对于较低速度或较短的总线长度，可使用非屏蔽双绞线或平行线作总线。为降低射频干扰，应限制上升和下降的斜率。上升和下降的斜率可以通过由引脚8至地连接的电阻进行控制，斜率正比于引脚8上的电流输出。如果引脚8接高电平，则电路进入低电平待机模式。在这种模式下，发送器被关闭，接收器转至低电流。如果检测到显性位，RXD将转至低电平。微控制器应通过引脚8将驱动器变为正常工作状态来对这个条件作出响应。由于在待机模式下接收器是慢速的，因此将丢失第一个报文，表2-6是CAN收发器的真值表。表2-6 CAN收发器真值表电源TXDCA