基于CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)抗干擾的設(shè)計(jì)

控制器局域網(wǎng)總線(CAN，Controller Area Network)是一種用于實(shí)時(shí)應(yīng)用的串行通訊協(xié)議總線，它可以使用雙絞線來(lái)傳輸信號(hào)，是世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。CAN協(xié)議用于汽車(chē)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(dòng)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(shí)時(shí)支持、傳輸速率高達(dá)1Mb/s、同時(shí)具有11位的尋址以及檢錯(cuò)能力。

控制器局域網(wǎng)CAN( Controller Area Network)屬于現(xiàn)場(chǎng)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(guó)博世公司在20世紀(jì)80年代專(zhuān)門(mén)為汽車(chē)行業(yè)開(kāi)發(fā)的一種串行通信總線。由于其高性能、高可靠性以及獨(dú)特的設(shè)計(jì)而越來(lái)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(cè)出產(chǎn)生的任何錯(cuò)誤。當(dāng)信號(hào)傳輸距離達(dá)到10km時(shí)，CAN仍可提供高達(dá)50kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。由于CAN總線具有很高的實(shí)時(shí)性能和應(yīng)用范圍，從位速率最高可達(dá)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(chē)業(yè)、航空業(yè)、工業(yè)控制、安全防護(hù)等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。隨著CAN總線在各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)其的通信格式標(biāo)準(zhǔn)化也提出了更嚴(yán)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(gè)部分。其中2.0A給出了CAN報(bào)文標(biāo)準(zhǔn)格式，而2.0B給出了標(biāo)準(zhǔn)的和擴(kuò)展的兩種格式。美國(guó)的汽車(chē)工程學(xué)會(huì)SAE在2000年提出了J1939協(xié)議，此后該協(xié)議成為了貨車(chē)和客車(chē)中控制器局域網(wǎng)的通用標(biāo)準(zhǔn)。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(shí)間的不確定性和優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)是它固有的缺陷。當(dāng)總線上傳輸消息密度較小時(shí)，這些缺陷對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性能會(huì)急劇下降。為了滿足汽車(chē)控制對(duì)實(shí)時(shí)性和傳輸消息密度不斷增長(zhǎng)的需要，改善CAN總線的實(shí)時(shí)性能非常必要。于是，傳統(tǒng)CAN與時(shí)間觸發(fā)機(jī)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(shí)間槽(Timer Slot)。

紡織業(yè)是我國(guó)一大傳統(tǒng)行業(yè)，隨著國(guó)際棉紡織技術(shù)向優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、自動(dòng)化、連續(xù)化方向的迅速發(fā)展，提高我國(guó)紡織產(chǎn)業(yè)的機(jī)電一體化水平，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的智能化是各紡織企業(yè)的工作重點(diǎn)。

電子送經(jīng)卷取系統(tǒng)是紡織工藝流程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其控制性能的優(yōu)劣直接影響著工藝過(guò)程及織機(jī)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(jì)受到國(guó)內(nèi)外紡織公司(德國(guó)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(jì)方案。然而，中國(guó)用戶仍然面臨著劍桿織機(jī)送經(jīng)和卷取系統(tǒng)的價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜，數(shù)據(jù)傳輸效率低等問(wèn)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(shí)時(shí)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(jì)的復(fù)雜度和性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。

1 送經(jīng)卷取系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

根據(jù)技術(shù)及經(jīng)濟(jì)需求，本設(shè)計(jì)選取ARM7-LPC2194為主控制器，作為CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)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(jì)

2.1 系統(tǒng)CAN總線的實(shí)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(dòng)器等元件組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本設(shè)計(jì)分別將協(xié)議控制器通過(guò)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(shí)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(dòng)的總線信號(hào)轉(zhuǎn)換成邏輯信號(hào)電平并在RxD輸出，接收到的串行數(shù)據(jù)通過(guò)與總線電纜相連的差動(dòng)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(guò)PCA82C250和光電耦合器TLP2631將數(shù)據(jù)傳輸給送經(jīng)驅(qū)動(dòng)器、卷取驅(qū)動(dòng)器的CAN接收端口，從而實(shí)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(jì)

信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，存在著擾動(dòng)，為此本設(shè)計(jì)采取以下措施來(lái)克服干擾的影響：

1)為了滿足光電隔離的要求，本設(shè)計(jì)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(shí)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(gè)120 Ω總線阻抗匹配電阻。若不接這兩個(gè)電阻，有時(shí)甚至無(wú)法通信。采用屏蔽雙絞線以減少現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)結(jié)點(diǎn)的干擾。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

送經(jīng)卷取系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是實(shí)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(jì)兩部分組成。其中數(shù)據(jù)采集程序可參考文獻(xiàn)，本文重點(diǎn)論述CAN通訊程序的設(shè)計(jì)。

3.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境

軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，選用ADS1.2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，ADS是ARM微控制器集成開(kāi)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(yǔ)言、C/C++源程序;具有編譯效率高、系統(tǒng)庫(kù)功能強(qiáng)等特點(diǎn);可以在WINDOWS 98、WINDOWS XP、WINDOWS 2000上運(yùn)行。

控制器局域網(wǎng)(CAN)廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、航空電子、船舶和工業(yè)的應(yīng)用中。而這些應(yīng)用具有共同特點(diǎn)，即需要長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)發(fā)且其產(chǎn)品生命周期較長(zhǎng)。因此，對(duì)于CAN總線和相關(guān)半導(dǎo)體元器件而言，針對(duì)停產(chǎn)元器件的供應(yīng)鏈管理則起著至關(guān)重要的作用。

羅徹斯特電子是半導(dǎo)體全周期解決方案提供商，擁有海量元器件現(xiàn)貨庫(kù)存，包括停產(chǎn)元器件和未停產(chǎn)器件。此外，基于原廠授權(quán)許可，還可對(duì)停產(chǎn)元器件進(jìn)行復(fù)產(chǎn)。羅徹斯特電子擁有超過(guò)300萬(wàn)片CAN相關(guān)產(chǎn)品的現(xiàn)貨庫(kù)存，覆蓋200多種產(chǎn)品型號(hào)。其中包括獨(dú)立的CAN收發(fā)器、具有嵌入式CAN控制器的微控制器和微處理器、以及基于CAN的系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片(SBC)。

羅徹斯特電子具備長(zhǎng)期穩(wěn)定的供貨能力，以英特爾82527 CAN控制器的許可復(fù)產(chǎn)為例，該產(chǎn)品為眾多CAN設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。2005年，英特爾將該產(chǎn)品的制造、生產(chǎn)和測(cè)試轉(zhuǎn)交給了羅徹斯特電子。該產(chǎn)品與Bosch CC770 CAN控制器兼容。即使其他產(chǎn)品退出市場(chǎng)，羅徹斯特電子仍可通過(guò)現(xiàn)貨庫(kù)存或不斷的長(zhǎng)期生產(chǎn)，為該產(chǎn)品提供持續(xù)可靠的供貨支持。

除生產(chǎn)服務(wù)外，羅徹斯特電子還可通過(guò)復(fù)制解決方案以實(shí)現(xiàn)持續(xù)供貨。我們?cè)鵀槿虺丝瓦\(yùn)輸系統(tǒng)的領(lǐng)導(dǎo)者——蒂森克虜伯電梯，成功復(fù)產(chǎn)了恩智浦P80C592微控制器，該產(chǎn)品中配有嵌入式CAN控制器。羅徹斯特電子獲得了該產(chǎn)品設(shè)計(jì)和測(cè)試的原始數(shù)據(jù)，并成功將其復(fù)產(chǎn)，確保了蒂森克虜伯能夠持續(xù)生產(chǎn)。這樣帶來(lái)的好處是無(wú)需進(jìn)行任何軟件或硬件修改，避免了高成本的重新設(shè)計(jì)或重新鑒定。