基于CAN總線的信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王成卉，曾連蓀

（上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 200135）

CAN（Controller Area Network）即控制器局域網(wǎng)，主要用于各種設(shè)備檢測及控制的一種現(xiàn)場總線。20世紀(jì)80年代初，德國BOSCH公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換，開發(fā)了一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，即CAN總線。

CAN總線是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，它為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。CAN屬于工業(yè)現(xiàn)場總線的范疇，與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時性和靈活性，通信速率可達(dá)1 Mb/s。目前，CAN總線不僅應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，而且應(yīng)用于自動控制、航空航天、機(jī)械工業(yè)、農(nóng)用機(jī)械、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械及傳感器等領(lǐng)域。

由于CAN被越來越多不同領(lǐng)域采用和推廣，導(dǎo)致要求各種應(yīng)用領(lǐng)域通信報(bào)文的標(biāo)準(zhǔn)化。為此，1991年9月PHILIPS SEMICONDUCTORS制定并發(fā)布了CAN技術(shù)規(guī)范（VERSION 2.0）。該技術(shù)規(guī)范包括A和B兩部分。2.0A給出在CAN技術(shù)規(guī)范1.2中定義的CAN報(bào)文格式，能提供11位地址；而2.0B給出了標(biāo)準(zhǔn)的和擴(kuò)展的2種報(bào)文格式，能提供29位地址。此后，1993年11月ISO正式頒布了道路交通運(yùn)載工具——數(shù)字信息交換——高速通信控制器局部網(wǎng) （CAN）國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898），為控制器局部網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化推廣鋪平了道路[1]。

根據(jù)某型衛(wèi)星信息采集系統(tǒng)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)的通信需求，且為保證信息采集的實(shí)時可靠，文中應(yīng)用CAN總線完成整個信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于衛(wèi)星的運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，采集的陀螺組合數(shù)據(jù)等會有相應(yīng)的誤差，因此需要對導(dǎo)航數(shù)據(jù)的采集進(jìn)行遙測，對導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的總線狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。本系統(tǒng)根據(jù)某型衛(wèi)星的通信需要，利用CAN總線完成整個信息采集及實(shí)時監(jiān)測。信息采集系統(tǒng)的框圖如圖1所示。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由于TI公司的TMS320F2812型DSP在軍事上已有應(yīng)用，且根據(jù)各種性能的比較，本系統(tǒng)采用TMS320F2812型DSP作為導(dǎo)航計(jì)算機(jī)，進(jìn)行下位機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送，其中eCAN模塊是TMS320F2812 DSP片上的增強(qiáng)型CAN控制器，其性能較之已有的DSP內(nèi)嵌CAN控制器有較大的提高，數(shù)據(jù)傳輸更加靈活方便，數(shù)據(jù)量更大，可靠性更高，功能更加完備[2]。

圖1 信息采集系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of information acquisition system

上位機(jī)采用工控機(jī)，其中由ADLINK的PCI/cPCI-7841 CAN總線接口卡進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。該卡可同時操作兩個獨(dú)立的CAN網(wǎng)絡(luò)，可編程傳輸速率可高達(dá)1 Mb/s，通過直接內(nèi)存映射能夠快速訪問CAN控制器，PCI總線即插即用，其總線控制器為SJA1000，電氣接口為82C250。

信息采集系統(tǒng)的信息通信利用CAN總線完成，其CAN總線接口電路如圖2所示，其中獨(dú)特之處是在收發(fā)器PCA82C250的輸出引腳CANH和CANL之間并聯(lián)一個終端電阻R為120 Ω，解決了遠(yuǎn)近端阻抗不匹配的影響。

圖2 CAN總線接口電路圖Fig.2 Interface circuit of CAN bus

如圖1所示，由TMS320F2812 DSP的eCAN模塊發(fā)送陀螺組合數(shù)據(jù)及溫度值等，上位機(jī)的PCI/cPCI-7841型CAN總線接口卡進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，從而完成整個信息采集及監(jiān)測過程。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要完成基于CAN總線的數(shù)據(jù)通信，并在接收數(shù)據(jù)之后按要求對采集的導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成實(shí)際所需數(shù)據(jù)類型，對陀螺組合的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。

本系統(tǒng)CAN總線通信報(bào)文格式采用CAN2.0B擴(kuò)展模式，通信數(shù)據(jù)格式主要是對CAN總線協(xié)議中的（仲裁場Arbitration Field）和（數(shù)據(jù)場 Data Field）進(jìn)行定義，要求數(shù)據(jù)傳輸速率為500 Kb/s。協(xié)議幀格式如圖3所示。

圖3 幀協(xié)議組成Fig.3 Frame protocol components

系統(tǒng)的接收軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

在使用CAN接口卡之前首先要對卡進(jìn)行波特率、傳輸報(bào)文格式等參數(shù)的初始化。

1）初始化CAN總線的傳輸報(bào)文格式為提供29位地址的CAN2.0B擴(kuò)展模式；

2）初始化CAN總線的波特率為500 Kb/s。

利用PCI/cPCI-7841 CAN接口卡的CanOpen-Driver（）函數(shù)打開CAN端口，用 CanConfigPort（）函數(shù)進(jìn)行初始化，用CanSendMsg（）函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)包，用Can-RcvMsg（）函數(shù)接收數(shù)據(jù)包，用 CanCloseDriver（）函 數(shù) 關(guān)閉端口[3]。創(chuàng)建接收線程，接收數(shù)據(jù)之后按要求對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。應(yīng)用MFC制作通信界面。注意，線程函數(shù)只能是靜態(tài)成員函數(shù)，或者是在類外面聲明的一個函數(shù)。

圖4 接收軟件程序流程圖Fig.4 Flow chart of receiving software program

初始化程序如下：

系統(tǒng)軟件界面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件界面Fig.5 Interface of system software

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該信息采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過通信后不變，確保了信息采集的可靠、準(zhǔn)確。

3 結(jié)束語

由于基于CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時性和靈活性，同時由于TMS320F2812 DSP的eCAN模塊使數(shù)據(jù)傳輸更加靈活方便，數(shù)據(jù)量更大，可靠性更高，功能更加完備，用該DSP進(jìn)行下位機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送，PCI/cPCI CAN接口卡進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，從而完成信息采集，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，對陀螺組合的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，這對衛(wèi)星等的導(dǎo)航有著重要意義。

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