多通道實(shí)時(shí)CAN總線模擬器設(shè)計(jì)

    CAN總線與一般的串行通信總線相比，它的數(shù)據(jù)通信具有可靠性高，實(shí)時(shí)性高，靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，不僅廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)，而且擴(kuò)展到了機(jī)械工業(yè)、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等諸多領(lǐng)域。尤其在大量數(shù)據(jù)通信處理中，高可靠性及實(shí)時(shí)響應(yīng)的場(chǎng)合，單通道CAN總線不能滿足實(shí)際通信的要求。為此，介紹一種基于多通道實(shí)時(shí)CAN模擬器的設(shè)計(jì)方案。

1 CAN總線技術(shù)介紹
1．1 CAN總線特性
    CAN(Controller Area Network)總線是一種串行多主站控制器局域網(wǎng)總線。它具有很高的網(wǎng)絡(luò)安全性、通信可靠性和實(shí)時(shí)性，并且簡(jiǎn)單實(shí)用，網(wǎng)絡(luò)成本低。它主要用于各種過程監(jiān)測(cè)及控制的一種網(wǎng)絡(luò)。CAN最初是由德國(guó)BOSCH公司為汽車的監(jiān)測(cè)、控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。由于CAN總線具有卓越的特性和極高的可靠性，特別適合于工業(yè)過程中監(jiān)控設(shè)備的互連，具體來說，CAN具有如下特性：
    (1)CAN可以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可以在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活；
    (2)CAN可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)(成組)及全局廣播方式傳送接收數(shù)據(jù)；
    (3)CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息可分成不同的優(yōu)先級(jí)，可以滿足不同的實(shí)時(shí)要求；
    (4)CAN采用非破壞性總線仲載技術(shù)。當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)是向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可以不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，大大節(jié)省了總線仲載沖突時(shí)間，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓；
    (5)CAN的直接通信距離最大可達(dá)10 km(速率小于5 Kb／s)，最高通信速率可達(dá)1 Mb／s。
1．2 CAN通信協(xié)議
    在CAN 2．0B的版本協(xié)議中有兩種不同的幀格式，不同之處為標(biāo)識(shí)符域的長(zhǎng)度不同，含有11位標(biāo)識(shí)符的幀稱為標(biāo)準(zhǔn)幀，而含有29位標(biāo)識(shí)符的幀稱為擴(kuò)展幀。擴(kuò)展格式是CAN 2．0B協(xié)議新增加的特性。在報(bào)文傳輸時(shí)，不同的幀具有不同的傳輸結(jié)構(gòu)，只有嚴(yán)格按照該結(jié)構(gòu)進(jìn)行幀的傳輸，才能被節(jié)點(diǎn)正確接收和發(fā)送。下面將分別介紹四種傳輸幀的結(jié)構(gòu)：
    (1)數(shù)據(jù)幀(Data)：數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)從發(fā)送器傳輸?shù)浇邮掌鳌AN協(xié)議有兩種數(shù)據(jù)幀類型標(biāo)準(zhǔn)2．0A和標(biāo)準(zhǔn)2．0B。兩者本質(zhì)的不同在于ID的長(zhǎng)度不同。在2．0A類型中，ID的長(zhǎng)度為11位；在2．0B類型中，ID的長(zhǎng)度為29位。它由7個(gè)域組成：幀起始、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域、CRC校驗(yàn)碼域、應(yīng)答域、幀結(jié)束。
    (2)遠(yuǎn)程幀(Remote)：總線單元發(fā)出遠(yuǎn)程幀，請(qǐng)求發(fā)送具有同一標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀。接收數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)可通過發(fā)遠(yuǎn)程幀請(qǐng)求源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。它由6個(gè)域組成：幀起始、仲裁域、控制域、校驗(yàn)域、應(yīng)答域、幀結(jié)束。
    (3)錯(cuò)誤幀(Error)：任何單元檢測(cè)到總線錯(cuò)誤就發(fā)出錯(cuò)誤幀。由錯(cuò)誤標(biāo)志和錯(cuò)誤分界兩個(gè)域組成。接收節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)總線上的報(bào)文有誤時(shí)，將自動(dòng)發(fā)出“活動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志”，其他節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到活動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志后發(fā)送“錯(cuò)誤認(rèn)可標(biāo)志”。
    (4)過載幀(Overload)：過載幀用在相鄰數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀之間提供附加的延時(shí)。由超載標(biāo)志和超載分隔符組成。超載幀只能在一個(gè)幀結(jié)束后開始。當(dāng)接收方在接收下一幀之前，需要過多的時(shí)間處理當(dāng)前的數(shù)據(jù)，或在幀間空隙域檢測(cè)到顯性電平時(shí)，則導(dǎo)致發(fā)送超載幀。
1．3 CAN協(xié)議控制器
    目前主流的CAN協(xié)議控制器一般采用I／O總線(SJA1000等)或SPI接口(M(2P2515等)與處理器進(jìn)行通信。該設(shè)計(jì)采用SJA1000控制器。
    SJA1000是一款獨(dú)立CAN控制器，應(yīng)用于移動(dòng)目標(biāo)和工業(yè)局域網(wǎng)控制領(lǐng)域。SJA1000具有兩種工作模式：BasicCAN和PeliCAN。該設(shè)計(jì)采用PeliCAN工作模式。SJA1000用來完成CAN協(xié)議所規(guī)定的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能，它可以支持多種處理器的時(shí)序特性，如Intel模式或Motorola模式，與微處理器的接口非常簡(jiǎn)單，微處理器以訪問外部存儲(chǔ)器的方式來訪問SJA1000。
    SJA1000通過CAN控制器接口即PCA82C250芯片接到CAN總線上。CAN收發(fā)器使用飛利浦公司的PCA82C250，它是連接CAN控制器和物理總線之間的接口，提供了對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)動(dòng)和接收能力，與ISO11898標(biāo)準(zhǔn)完全兼容，有三種不同的工作方式即高速、斜率控制和待機(jī)，可根據(jù)實(shí)際情況選擇。硬件電路中使用PCA82C250是為了增加通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護(hù)總線，降低干擾等。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
    根據(jù)通用計(jì)算機(jī)的總線分類，可采用基于ISA總線對(duì)多通道實(shí)時(shí)CAN總線模擬器進(jìn)行研制，根據(jù)CAN總線通信原理可以提出以下兩種設(shè)計(jì)方案：
    (1)ISA總線+CAN通信控制器；
    (2)ISA總線+微處理器+CAN通信控制器。這兩種設(shè)計(jì)方案的不同點(diǎn)在于是否采用處理器來加強(qiáng)控制。
    由于CAN總線通信要求實(shí)時(shí)性高，再加上多通道的設(shè)計(jì)滿足實(shí)際的需要，故采用單片機(jī)來負(fù)責(zé)CAN總線的通信功能。在這里主要介紹單片機(jī)與CAN控制器之間的設(shè)計(jì)部分，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

    單片機(jī)選用DALLAS公司的DS89C430，它是當(dāng)前8051兼容微控制器中性能最高的。具有重新設(shè)計(jì)的處理器內(nèi)核，在相同的晶振頻率下，執(zhí)行指令的速度是最初8051微處理器的12倍。特性：高速8051架構(gòu)，每個(gè)機(jī)器周期一個(gè)時(shí)鐘；片內(nèi)存儲(chǔ)器16 KB／32 KB／64 KB閃存，在應(yīng)用可編程，通過串口實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)可編程；與8051引腳和指令集兼容；四路雙向、8位I／O端口；三個(gè)16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器；256 B暫存RAM等特點(diǎn)?？筛鶕?jù)實(shí)際應(yīng)用的需要選擇其部分功能。隨著可編程邏輯器件的飛速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，可用于譯碼、解碼等方面，使用CPLD可以提高系統(tǒng)集成度，降低噪聲，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。因此，單片機(jī)與CAN控制器之間的鎖存、譯碼采用Xilinx公司XC95144CPLD芯片，優(yōu)化了系統(tǒng)資源，降低了其功耗。
2．2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    該部分由單片機(jī)、CAN控制器、CAN收發(fā)器、SRAM存儲(chǔ)器組成。單片機(jī)主要用于系統(tǒng)計(jì)算及信息處理等功能；CAN控制器主要用于系統(tǒng)通信；CAN收發(fā)器主要用于增強(qiáng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能力；SRAM主要用于緩存數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的發(fā)送過程是：?jiǎn)纹瑱C(jī)將外圍設(shè)備傳送過來的信息處理后，按CAN規(guī)范規(guī)定的格式，將其寫入CAN控制器的發(fā)送緩沖區(qū)，并啟動(dòng)發(fā)送命令，把數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上；接收過程是：CAN控制器從CAN總線上自動(dòng)接收數(shù)據(jù)，并經(jīng)過濾后存入CAN接收緩沖區(qū)，且向單片機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求，此時(shí)單片機(jī)可從CAN接收緩沖區(qū)讀取要接收的數(shù)據(jù)。SJA1000提供的微處理器接口方式為典型INTEL或MOTOROLA地址數(shù)據(jù)多路復(fù)用總線模式。主要信號(hào)有地址數(shù)據(jù)信號(hào)AD7～AD0，地址選通信號(hào)ALE，片選信號(hào)CS，讀信號(hào)RD，寫信號(hào)WR，模式選擇信號(hào)MODE。當(dāng)MODE=1時(shí)，為INTEL模式；當(dāng)MODE=0時(shí)，為MOTOROLA模式。后面描述的總線模式均為INTEL模式。AD7～AD0引腳在ALE有效時(shí)，傳送的是地址信號(hào)，在RD或WR有效時(shí)，傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)信號(hào)，在這里分別與單片機(jī)的PO口相連，RD，WR信號(hào)線分別與單片機(jī)的讀／寫信號(hào)線相連。具體方案如圖2所示。限于篇幅限制，虛線內(nèi)給出1路CAN的連接圖，2路CAN有同樣的連接方法。

    SRAM和CAN控制器的片選信號(hào)。由于單片機(jī)可以查詢或中斷方式訪問，在此采用中斷方式進(jìn)行CAN多通道選擇訪問，以滿足不同通信速率下數(shù)據(jù)處理的需要。SRAM的地址線與數(shù)據(jù)線是分開的，故采用74LS373鎖存器實(shí)現(xiàn)鎖存功能。可采用XC95144CPLD芯片以及VHDL硬件描述語(yǔ)言以實(shí)現(xiàn)鎖存、譯碼等功能。
2．3 CPLD設(shè)計(jì)部分
2．3．1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    CPLD的輸入信號(hào)是單片機(jī)發(fā)送的信號(hào)，由高位地址A[15．．8]、ALE鎖存信號(hào)、中斷信號(hào)以及寫／讀信號(hào)組成。地址線A14和A15經(jīng)譯碼后作為片選信號(hào)，ALE實(shí)現(xiàn)低8位地址線的鎖存。實(shí)體和構(gòu)造體部分代碼如下所示：

2．3．2 仿真結(jié)果
    該模塊在Xilinx ISE 9．1工具下進(jìn)行綜合，并在結(jié)合ModelSim環(huán)境下進(jìn)行功能仿真。其仿真結(jié)果如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是通信程序設(shè)計(jì)。通信軟件由三部分組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)和CAN控制器的初始化程序、CAN發(fā)送程序、CAN接收程序。對(duì)于初始化程序，采用MAX232芯片對(duì)單片機(jī)進(jìn)行在線編程，可同時(shí)對(duì)多通道CAN控制器初始化。對(duì)于CAN控制器的初始化程序，主要是通過對(duì)CAN控制器控制段中的寄存器寫入控制字，從而確定CAN控制器的工作方式等，即通過上電復(fù)位、硬件復(fù)位或軟件復(fù)位給CAN控制器發(fā)一個(gè)復(fù)位請(qǐng)求，便可進(jìn)入初始化。在復(fù)位期間，對(duì)必需的寄存器進(jìn)行設(shè)置。對(duì)于發(fā)送和接受程序，只需把到來的信息幀送到CAN的發(fā)送或接受緩沖區(qū)，同時(shí)啟動(dòng)命令即可。二者可采用查詢方式或中斷方式，對(duì)于中斷方式，程序分為主程序和中斷服務(wù)程序兩部分設(shè)計(jì)。在具體項(xiàng)目中，需要軟硬件結(jié)合調(diào)試才能保證各部分的設(shè)計(jì)準(zhǔn)確無誤，到達(dá)實(shí)際應(yīng)用的要求。

4 結(jié) 語(yǔ)
    在對(duì)CAN通信協(xié)議進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一種多通道實(shí)時(shí)CAN總線模擬器架構(gòu)，同時(shí)利用CPLD器件，通過功能仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的正確性。經(jīng)實(shí)際工程項(xiàng)目使用，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行，滿足了實(shí)際應(yīng)用中高可靠性、高實(shí)時(shí)性以及傳輸速率較高的需求。