CAN為什么被設(shè)計作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊

控制器局域網(wǎng)總線(CAN，Controller Area Network)是一種用于實時應(yīng)用的串行通訊協(xié)議總線，它可以使用雙絞線來傳輸信號，是世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN協(xié)議用于汽車中各種不同元件之間的通信，以此取代昂貴而笨重的配電線束。該協(xié)議的健壯性使其用途延伸到其他自動化和工業(yè)應(yīng)用。CAN協(xié)議的特性包括完整性的串行數(shù)據(jù)通訊、提供實時支持、傳輸速率高達1Mb/s、同時具有11位的尋址以及檢錯能力。

電子送經(jīng)卷取系統(tǒng)是紡織工藝流程的一個重要環(huán)節(jié)，其控制性能的優(yōu)劣直接影響著工藝過程及織機的效率。然而，通信又是該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，使得電子送經(jīng)卷取系統(tǒng)通信的設(shè)計受到國內(nèi)外紡織公司(德國的百格拉，意大利的舒美特等公司)的高度重視，提出了多種設(shè)計方案。然而，中國用戶仍然面臨著劍桿織機送經(jīng)和卷取系統(tǒng)的價格昂貴、操作復(fù)雜，數(shù)據(jù)傳輸效率低等問題。

CAN(控制器局域網(wǎng))總線是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，與其它通訊相比，其數(shù)據(jù)通信具有突出的靈活性和可靠性。ARM控制器可以滿足一般的工業(yè)控制的需要，其具有減少系統(tǒng)硬件設(shè)計的復(fù)雜度和性價比高等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用。

控制器局域網(wǎng)是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN被設(shè)計作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊，在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。比如：發(fā)動機管理系統(tǒng)、變速箱控制器、儀表裝備、電子主干系統(tǒng)中，均嵌入CAN控制裝置。一個由CAN 總線構(gòu)成的單一網(wǎng)絡(luò)中，理論上可以掛接無數(shù)個節(jié)點。實際應(yīng)用中，節(jié)點數(shù)目受網(wǎng)絡(luò)硬件的電氣特性所限制。例如，當使用Philips P82C250作為CAN收發(fā)器時，同一網(wǎng)絡(luò)中允許掛接110個節(jié)點。CAN 可提供高達1Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，這使實時控制變得非常容易。另外，硬件的錯誤檢定特性也增強了CAN的抗電磁干擾能力。

CAN是在1980年代初所制定的規(guī)格，一開始是由羅伯特·博世公司所開發(fā)，并在1993年標準化(ISO 11898-1)，被廣泛的應(yīng)用在各種車輛與電子設(shè)備上。CAN為一序列總線，它提供高安全檔次及有效率的即時控制。更具備了調(diào)試和優(yōu)先權(quán)判別的機制，在這樣的機制下，網(wǎng)絡(luò)消息的傳輸變的更為可靠而有效率。CAN亦提供多主控端的架構(gòu)，這種特色，特別適合使用在主系統(tǒng)或子系統(tǒng)下提供更完整智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如感測器及致動器。CAN是創(chuàng)建在基于信息導(dǎo)向傳輸協(xié)議的廣播傳輸機制(broadcast communication mechanism)上。CAN定義信息的內(nèi)容，利用消息識別子(message identifier，每個message identifier在整個網(wǎng)絡(luò)中皆為獨一無二的)來定義內(nèi)容和信息的優(yōu)先順位，以進行信息的傳遞。并非使用指派特定站臺地址(station address)的方式。如此，CAN擁有了高度的彈性調(diào)整能力，可以在既有的網(wǎng)絡(luò)中增加站臺而不用在軟硬件上作修正與調(diào)整的作業(yè)。除此之外，信息的傳遞不是建構(gòu)在特殊種類的站臺上，增加了在升級網(wǎng)絡(luò)時的便利性。即時的信息傳輸(Real-time data transmission)為CAN的特色之一。在即時的運算中，消息傳遞的優(yōu)先級應(yīng)以重要性來分，重要性較高的消息會比較不重要的消息傳遞的更頻繁。

1 送經(jīng)卷取系統(tǒng)的總體設(shè)計

根據(jù)技術(shù)及經(jīng)濟需求，本設(shè)計選取ARM7-LPC2194為主控制器，作為CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點控制器，(其中LPC2194內(nèi)部集成有四路CAN控制器而不必外接CAN控制器)，應(yīng)用CAN總線技術(shù)和接口電路，實現(xiàn)了節(jié)點間的高效數(shù)據(jù)交換和傳輸。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)CAN總線的實現(xiàn)

送經(jīng)卷取系統(tǒng)主要由內(nèi)部集成有四路CAN控制器的ARM7-LPC2194芯片、光電隔離器TLP2631、CAN收發(fā)器PCA82C250及送經(jīng)卷取驅(qū)動器等元件組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本設(shè)計分別將協(xié)議控制器通過串行數(shù)據(jù)輸出線TX和串行數(shù)據(jù)輸入線RX連接到光電隔離器TLP2631的3管腳和7管腳，實現(xiàn)了光電隔離。利用CAN收發(fā)器。PCA82C250將從光電隔離器TLP2631輸出的差動的總線信號轉(zhuǎn)換成邏輯信號電平并在RxD輸出，接收到的串行數(shù)據(jù)通過與總線電纜相連的差動發(fā)送和接收總線終端CANH和CANL將數(shù)據(jù)送到總線協(xié)議控制器譯碼，完成了普通電平到顯、隱性電平的傳輸。CAN總線獲取顯、隱性電平后，再經(jīng)過PCA82C250和光電耦合器TLP2631將數(shù)據(jù)傳輸給送經(jīng)驅(qū)動器、卷取驅(qū)動器的CAN接收端口，從而實現(xiàn)了基于CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 系統(tǒng)抗干擾的設(shè)計

信號數(shù)據(jù)傳輸過程中，存在著擾動，為此本設(shè)計采取以下措施來克服干擾的影響：

1)為了滿足光電隔離的要求，本設(shè)計在協(xié)議控制器和CAN收發(fā)器之間加入了TLP2631光電隔離器，有效地抑制了傳輸線中由于耦合電容、電感造成的干擾，實現(xiàn)了不同電平的轉(zhuǎn)換。

2)為了匹配數(shù)據(jù)總線的阻抗和提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_能力，在CAN總線終端的兩端加有兩個120 Ω總線阻抗匹配電阻。若不接這兩個電阻，有時甚至無法通信。采用屏蔽雙絞線以減少現(xiàn)場環(huán)境對結(jié)點的干擾。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

送經(jīng)卷取系統(tǒng)的軟件設(shè)計是實現(xiàn)數(shù)據(jù)高效通信的關(guān)鍵，本文的軟件部分主要由數(shù)據(jù)采集程序和CAN總線通信程序設(shè)計兩部分組成。其中數(shù)據(jù)采集程序可參考文獻，本文重點論述CAN通訊程序的設(shè)計。

3.1 開發(fā)環(huán)境

軟件開發(fā)環(huán)境，選用ADS1.2集成開發(fā)環(huán)境，ADS是ARM微控制器集成開發(fā)工具。ADS1.2支持ARM10之前所有ARM系列，支持軟件調(diào)試及JTAG硬件仿真調(diào)試，支持匯編語言、C/C++源程序;具有編譯效率高、系統(tǒng)庫功能強等特點;可以在WINDOWS 98、WINDOWS XP、WINDOWS 2000上運行。

3.2 CAN總線通信主程序的設(shè)計

本程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，來實現(xiàn)各結(jié)點間的通信。程序首先對CAN控制器函數(shù)初始化，其次檢測是否有接收幀和數(shù)據(jù)異常，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。從而完成ARM芯片啟動代碼的編碼，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。然后，主程序通過調(diào)用CAN啟動驅(qū)動程序提供的接口，便可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸。

3.3 CAN控制器函數(shù)初始化

CAN控制器初始化，主要是完成總線的參數(shù)設(shè)置，其主要包括硬件使能、寄存器復(fù)位、波特率及驗收濾波器的工作方式等設(shè)置，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

硬件使能是通過寄存器來控制多路開關(guān)并使其與CAN控制器連接，因為CAN的某些寄存器必須在軟復(fù)位狀態(tài)下讀寫，所以一定要進行軟件復(fù)位。

初始化子程序采用的主要函數(shù)如下：

3.4 數(shù)據(jù)接收子程序

接收數(shù)據(jù)可采用查詢方式或中斷方式，本文采用數(shù)據(jù)查詢方式，完成子程序的設(shè)計，利用旁路濾波器，通過查詢接收數(shù)據(jù)存儲空間，判斷是否接收信息寄存器、標識符寄存器、數(shù)據(jù)寄存器的RX幀。由于接收緩沖區(qū)的容量不大，所以接收緩沖區(qū)接收幀，必須立即進入環(huán)形接收緩沖區(qū)，然后再對環(huán)形接收緩沖區(qū)里的信息進行分類處理。

3.5 發(fā)送子程序

總線將采集到的數(shù)據(jù)(Tx幀信息寄存器、Tx標識符寄存器、Tx數(shù)據(jù)寄存器A、Tx數(shù)據(jù)寄存器B)經(jīng)過打包成符合發(fā)送幀格式的數(shù)據(jù)后，通過調(diào)用發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)進行數(shù)據(jù)的發(fā)送。程序首先檢查LPC2194的3個發(fā)送緩沖區(qū)和總線的空閑空間，通過查詢CANSR的TCS位，將幀傳到總線，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

解決國內(nèi)電子送經(jīng)卷取系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸率低和國外系統(tǒng)價格昂貴問題，本文設(shè)計了一種基于ARM7的紡織機送經(jīng)和卷取系統(tǒng)，利用性價比高的主控器ARM7-LPC2194、CAN接收器PCA82C250和光電耦合器TLP2631，實現(xiàn)了送經(jīng)卷取系統(tǒng)總線的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計，較好地解決了紡織機的電子送經(jīng)和卷曲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸問題，該系統(tǒng)自動化程度，具有高效的通信率和抗干擾能力。同時，本系統(tǒng)的通信方案，對于其它工業(yè)測控領(lǐng)域也具有較好的應(yīng)用前景。

控制器局域網(wǎng)CAN( Controller Area Network)屬于現(xiàn)場總線的范疇，是一種有效支持分布式控制系統(tǒng)的串行通信網(wǎng)絡(luò)。是由德國博世公司在20世紀80年代專門為汽車行業(yè)開發(fā)的一種串行通信總線。由于其高性能、高可靠性以及獨特的設(shè)計而越來越受到人們的重視，被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤。當信號傳輸距離達到10km時，CAN仍可提供高達50kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。由于CAN總線具有很高的實時性能和應(yīng)用范圍，從位速率最高可達1Mbps的高速網(wǎng)絡(luò)到低成本多線路的50Kbps網(wǎng)絡(luò)都可以任意搭配。因此，CAN己經(jīng)在汽車業(yè)、航空業(yè)、工業(yè)控制、安全防護等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。隨著CAN總線在各個行業(yè)和領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對其的通信格式標準化也提出了更嚴格的要求。1991年CAN總線技術(shù)規(guī)范(Version2.0)制定并發(fā)布。該技術(shù)規(guī)范共包括A和B兩個部分。其中2.0A給出了CAN報文標準格式，而2.0B給出了標準的和擴展的兩種格式。美國的汽車工程學(xué)會SAE在2000年提出了J1939協(xié)議，此后該協(xié)議成為了貨車和客車中控制器局域網(wǎng)的通用標準。CAN總線技術(shù)也在不斷發(fā)展。傳統(tǒng)的CAN是基于事件觸發(fā)的，信息傳輸時間的不確定性和優(yōu)先級反轉(zhuǎn)是它固有的缺陷。當總線上傳輸消息密度較小時，這些缺陷對系統(tǒng)的實時性影響較小;但隨著在總線上傳輸消息密度的增加，系統(tǒng)實時性能會急劇下降。為了滿足汽車控制對實時性和傳輸消息密度不斷增長的需要，改善CAN總線的實時性能非常必要。于是，傳統(tǒng)CAN與時間觸發(fā)機制相結(jié)合產(chǎn)生了TTCAN(Time-Triggered CAN)，ISO11898-4己包含了TTCAN。 TTCAN總線和傳統(tǒng)CAN總線系統(tǒng)的區(qū)別是：總線上不同的消息定義了不同的時間槽(Timer Slot)。