基于ARM7處理器的CAN總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

1  引言
      can（controller area network）即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，最初是由德國bosch公司為解決汽車監(jiān)控系統(tǒng)中的自動化系統(tǒng)集成而設(shè)計(jì)的數(shù)字信號通信協(xié)議，屬于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)。由于can總線自身的特點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域由汽車行業(yè)擴(kuò)展到過程控制、機(jī)械制造、機(jī)器人和樓宇自動化等領(lǐng)域，被公認(rèn)為最有發(fā)展前景的現(xiàn)場總線之一。
      can總線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用總線式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單、成本低，并且采用無源抽頭連接，系統(tǒng)可靠性高。本設(shè)計(jì)在保證系統(tǒng)可靠工作和降低成本的條件下，具有通用性、實(shí)時(shí)性和可擴(kuò)展性等持點(diǎn)。

2  系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
      整個(gè)can網(wǎng)絡(luò)由上位機(jī)（上位機(jī)也是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)）和各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成（見圖1）。上位機(jī)采用工控機(jī)或通用計(jì)算機(jī)，它不僅可以使用普通pc機(jī)的豐富軟件，而且采用了許多保護(hù)措施，保證了安全可靠的運(yùn)行，工控機(jī)特別適合于工業(yè)控制環(huán)境惡劣條件下的使用。上位機(jī)通過can總線適配卡與各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交換，負(fù)責(zé)對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和給下位機(jī)發(fā)送各種操作控制命令和設(shè)定參數(shù)。
      網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由傳感器接口、下位機(jī)、can控制器和can收發(fā)器組成，通過can收發(fā)器與總線相連，接收上位機(jī)的設(shè)置和命令。傳感器接口把采集到的現(xiàn)場信號經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處理后，由can收發(fā)器經(jīng)由can總線與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，上位機(jī)對傳感器檢測到的現(xiàn)場信號做進(jìn)一步分析、處理或存儲，完成系統(tǒng)的在線檢測，計(jì)算機(jī)分析與控制。本設(shè)計(jì)can總線傳輸介質(zhì)采用雙絞線。

圖 1     can總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3  can總線智能網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
      本文給出以arm7tdmi內(nèi)核philips公司的lpc2119芯片作為核心構(gòu)成的智能節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)。該智能節(jié)點(diǎn)的電路原理圖如圖2所示。該智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)在保證系統(tǒng)可靠工作和降低成本的條件下，具有通用性、實(shí)時(shí)性和可擴(kuò)展性等特點(diǎn)，下面分別對電路的各部分做進(jìn)一步的說明。 

圖2      can總線智能網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)

3.1  lpc2119處理器特點(diǎn)
      lpc2119是philips公司推出的一款高性價(jià)比很處理器。lpc2119是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位arm7tdmi-stm cpu，并帶有128kb嵌入的高速flash存儲器。獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行，對代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30%，而性能的損失卻很小。實(shí)行流水線作業(yè)，提供embedded ice邏輯，支持片上斷點(diǎn)和調(diào)試點(diǎn)，具有先進(jìn)的軟件開發(fā)和調(diào)試環(huán)境。
      lpc2119具有非常小的64腳封裝、極低的功耗、多個(gè)32位定時(shí)器、4路10位adc、2路can、pwm通道、多個(gè)串行接口，包括2個(gè)16c550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)uart、高速i2c接口（400 khz）和2個(gè)spi接口，46個(gè)gpio以及多達(dá)9個(gè)外部中斷使它們特別適用于汽車、工業(yè)控制應(yīng)用以及醫(yī)療系統(tǒng)和容錯維護(hù)總線。[!--empirenews.page--]
      lpc2119內(nèi)部集成2個(gè)can控制器，每一個(gè)can控制器都與獨(dú)立can控制器sja1000有著相似的寄存器結(jié)構(gòu)。其主要的區(qū)別在于標(biāo)識符接收過濾的編程操作上，篇幅有限這里不作詳述。它的主要特性有:單個(gè)總線上的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)1mb/s;32位寄存器和ram訪問;兼容can2.0b，iso11898-1規(guī)范;全局驗(yàn)收濾波器可以識別所有的11位和29位標(biāo)識符;驗(yàn)收濾波器為選擇的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識符提供full can-style自動接收。
3.2  數(shù)據(jù)采集和人機(jī)接口
      傳感器接口的選用應(yīng)根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能而定，由傳感器將被測量轉(zhuǎn)化成電量。由于測試環(huán)境的電磁干擾、傳感器和放大器自身的影響，往往使信號中含有多種頻率成分的噪音，直接從傳感器輸出的信號需要經(jīng)過信號調(diào)理電路作進(jìn)一步的處理才能使后續(xù)電路得以正常工作。經(jīng)過調(diào)理后的信號輸入到lpc2119的模擬信號輸入端p0.27-p0.30，lpc2119內(nèi)有4路10位adc，轉(zhuǎn)換時(shí)間低至2.44μs。
      人機(jī)接口利用lpc2119豐富的gpio接口采用led顯示輸出和鍵盤輸入，如圖2所示。本設(shè)計(jì)采用4個(gè)led分別表示節(jié)點(diǎn)電源、數(shù)據(jù)通信狀態(tài)、聯(lián)機(jī)指示和錯誤指示。鍵盤設(shè)計(jì)了6個(gè)按鍵用來設(shè)置節(jié)點(diǎn)的報(bào)文濾波、節(jié)點(diǎn)的波特率及節(jié)點(diǎn)復(fù)位等功能。
3.3  can總線接口
      根據(jù)圖2所示，can接口部分包括lpc2119（內(nèi)置can控制器）、光電耦合器和總線收發(fā)器。can總線遵循iso的標(biāo)準(zhǔn)模型，分為數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。在工程上通常由can控制器和收發(fā)器來實(shí)現(xiàn)。收發(fā)器選擇philips公司的tja1050高速收發(fā)器，它符合iso11898標(biāo)準(zhǔn)。can控制器主要完成can的通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)報(bào)文的裝配和拆分、接收信息的過濾和校驗(yàn)等。收發(fā)器tja1050則是實(shí)現(xiàn)can控制器和通訊線路的物理連接，提高can總線的驅(qū)動能力和可靠性。
      為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，lpc2119引腳tx1、rx1與收發(fā)器tja1050并不是直接相連的，而是通過高速光耦6n137后與tja1050相連。電路中可采用隔離型dc/dc 模塊向收發(fā)器電路供電。dc/dc模塊采用金升陽的b0505s-1w定電壓輸入隔離非穩(wěn)壓單輸出型dc/dc模塊，隔離電壓≥1000vdc。這樣就可以很好地實(shí)現(xiàn)總線上各接點(diǎn)的電氣隔離，這部分電路雖增加了復(fù)雜性，但卻保證了穩(wěn)定性和安全性。
      tja1050與can總線的接口部分也采用了一定的安全和抗干擾措施，canh和canl與地之間并聯(lián)了兩個(gè)小電容ch和cl可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的能力。電容值須由節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和波特率決定，當(dāng)tja1050 的輸出級阻抗大約是20ω，總線系統(tǒng)有10個(gè)節(jié)點(diǎn)速度是500kbps，則電容的值不應(yīng)該超過470pf。另外在兩根can總線接入端與地之間分別反接了一個(gè)保護(hù)二極管，當(dāng)can 總線有較高的負(fù)電壓時(shí)通過二極管的短路可起到一定的過壓保護(hù)作用。根據(jù)tja1050的特性，本設(shè)計(jì)中can終端電阻使用了分裂終端，即總線端節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)終端電阻都被分成兩個(gè)等值的電阻，用兩個(gè)60ω的電阻代替一個(gè)120ω的電阻,這樣可以有效的減少輻射。由于使用了分裂終端，tja1050的emc性能得到優(yōu)化而且不會產(chǎn)生扼流。

4  can總線應(yīng)用層通信協(xié)議的制定
      can總線應(yīng)用層協(xié)議制定的總體目標(biāo)是最大限度地發(fā)揮can總線的優(yōu)異性能，使通信更加規(guī)范、可靠，提高實(shí)時(shí)性，降低總線負(fù)載率。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用層通信協(xié)議時(shí)，需要考慮以下兩個(gè)方面的內(nèi)容:
（1） 結(jié)合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，分析通信中所有信息對象，確定需要支持的通信傳輸模式;
（2） 確定標(biāo)識符的分配方案，定義幀格式。下面分別討論之。
4.1  確定通信的傳輸模式
      本系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)廣播式通信用來對全部從結(jié)點(diǎn)或部分從結(jié)點(diǎn)發(fā)布信息，同時(shí)主結(jié)點(diǎn)還要具備能夠?qū)蝹€(gè)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行操作的功能。因此定義以下三種傳輸模式:
（1） 支持全局／局部廣播式通信。主結(jié)點(diǎn)向全部或部分結(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，從結(jié)點(diǎn)接收信息后進(jìn)行相應(yīng)動作，不回送確認(rèn)信息。
（2） 支持點(diǎn)對點(diǎn)式通信。主結(jié)點(diǎn)向某個(gè)從結(jié)點(diǎn)發(fā)送信息請求數(shù)據(jù)，從結(jié)點(diǎn)接收到請求后讀取數(shù)據(jù)，并向主結(jié)點(diǎn)發(fā)送請求的數(shù)據(jù)。
（3） 支持點(diǎn)對點(diǎn)式通信。主結(jié)點(diǎn)向某個(gè)從結(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，從結(jié)點(diǎn)接收到信息后執(zhí)行相應(yīng)操作，但不回送確認(rèn)信息。
4.2  確定標(biāo)識符的分配方案
      確定標(biāo)識符的分配方案，定義幀格式。標(biāo)識符是can總線實(shí)現(xiàn)仲裁的依據(jù)，也是協(xié)議的關(guān)鍵，其分配方案要滿足個(gè)節(jié)點(diǎn)及信息對優(yōu)先級的要求。本文在協(xié)議中定義了兩種類型的幀:信息幀和數(shù)據(jù)幀。信息幀用來傳送主結(jié)點(diǎn)對從結(jié)點(diǎn)的命令、配置信息以及通信中的連接響應(yīng)信息等。而從結(jié)點(diǎn)向上傳送過程數(shù)據(jù)則通過數(shù)據(jù)幀來實(shí)現(xiàn)。信息幀的優(yōu)先級高于數(shù)據(jù)幀。
      設(shè)計(jì)中通信協(xié)議采用can2.0a標(biāo)準(zhǔn)幀格式，只用數(shù)據(jù)幀，不采用遠(yuǎn)程幀。報(bào)文的格式如表1所示。本文對11位id進(jìn)行了重新定義。dlc用于表示數(shù)據(jù)域的長度0～7個(gè)字節(jié);m/s用于表示報(bào)文的傳播方向，0表示主站向從站發(fā)消息，1表示從站向主站發(fā)消息;b/p表示通信方式，0表示廣播式通信，1表示點(diǎn)對點(diǎn)通信;m/d表示幀類型，0表示信息幀，1表示數(shù)據(jù)幀;id（7-0）用于表示報(bào)文標(biāo)識符;type用于表示報(bào)文是單幀報(bào)文還是多幀報(bào)文，該位為0時(shí)表示單幀或結(jié)束幀，該位為1時(shí)表示多幀報(bào)文;cmd表示命令標(biāo)識，包括:0a表示上傳命令，0b表示下載命令，0c表示聯(lián)機(jī)命令，0d表示報(bào)警命令等;data表示數(shù)據(jù)域。[!--empirenews.page--]

當(dāng)上位機(jī)需要與子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)，可用以上三種模式向can網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息幀，can網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)接收到信息幀后，通過判別標(biāo)識符和命令標(biāo)識來區(qū)別信息幀的類別，并將節(jié)點(diǎn)所需要的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，可隨時(shí)向上位機(jī)報(bào)告，上位機(jī)同樣也是通過標(biāo)識符來識別數(shù)據(jù)類型。

5  結(jié)束語
      本文基于can總線技術(shù)，以lpc2119為核心，重點(diǎn)介紹了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件電路設(shè)計(jì)以及應(yīng)用層協(xié)議的制定。軟件設(shè)計(jì)部分，在keil uvision3環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)了can控制器的驅(qū)動程序和應(yīng)用層協(xié)議，解決了現(xiàn)場傳感器得到的測量信號利用下位機(jī)進(jìn)行處理和存儲，然后通過內(nèi)置can控制器將數(shù)據(jù)發(fā)送到can總線上，完成與上位機(jī)的通訊。設(shè)計(jì)具有通用性，實(shí)時(shí)性，可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)，現(xiàn)已通過調(diào)試，性能穩(wěn)定，可以移植到其他系統(tǒng)中。