多通道實時CAN總線模擬器設計

王會敏 張遂南

摘 要:為了滿足CAN總線在實際通信應用中高實時性和高可靠性的要求,通過對CAN總線通信協議的研究,提出并設計一種由單片機負責控制的多通道實時CAN總線模擬器的設計方案。該方案在硬件設計上以可編程邏輯技術為基礎,采用復雜可編程邏輯器件(CPLD),結合硬件描述語言VHDL,實現了單片機與CAN控制器之間邏輯控制單元的設計。通過在Xilinx ISE平臺下對該程序進行編譯和綜合,在Modelsim 環境下進行仿真測試,證實了該方案的可行性。通過實際工程的驗證和使用結果表明,該設計方案滿足實際通信的要求。著重闡述整個系統的設計過程,并給出了關鍵技術的設計思路與重要部分代碼。

關鍵詞:CAN;實時性;單片機;CPLD;Xilinx ISE

中圖分類號:TP274

CAN總線與一般的串行通信總線相比,它的數據通信具有可靠性高,實時性高,靈活性強等優點,不僅廣泛應用于汽車行業,而且擴展到了機械工業、機器人、數控機床等諸多領域。尤其在大量數據通信處理中,高可靠性及實時響應的場合,單通道CAN總線不能滿足實際通信的要求。為此,介紹一種基于多通道實時CAN模擬器的設計方案。

1 CAN總線技術介紹

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總線。它具有很高的網絡安全性、通信可靠性和實時性,并且簡單實用,網絡成本低。它主要用于各種過程監測及控制的一種網絡。CAN最初是由德國BOSCH公司為汽車的監測、控制系統而設計的。由于CAN總線具有卓越的特性和極高的可靠性,特別適合于工業過程中監控設備的互連,具體來說,CAN具有如下特性:

(1) CAN可以多主方式工作,網絡上任意一個節點均可以在任意時刻主動地向網絡上的其他節點發送信息,而不分主從,通信方式靈活;

(2) CAN可以點對點、點對多點(成組)及全局廣播方式傳送接收數據;

(3) CAN網絡上的節點信息可分成不同的優先級,可以滿足不同的實時要求;

(4) CAN采用非破壞性總線仲載技術。當兩個節點是向網絡上發送數據時,優先級低的節點主動停止數據發送,而優先級高的節點可以不受影響地繼續傳輸數據,大大節省了總線仲載沖突時間,在網絡負載很重的情況下也不會出現網絡癱瘓;

(5) CAN的直接通信距離最大可達10 km(速率小于5 Kb/s),最高通信速率可達1 Mb/s。

1.2 CAN通信協議

在CAN 2.0B的版本協議中有兩種不同的幀格式,不同之處為標識符域的長度不同,含有11位標識符的幀稱為標準幀,而含有29位標識符的幀稱為擴展幀。擴展格式是CAN 2.0B協議新增加的特性。在報文傳輸時,不同的幀具有不同的傳輸結構,只有嚴格按照該結構進行幀的傳輸,才能被節點正確接收和發送。下面將分別介紹四種傳輸幀的結構:

(1) 數據幀(Data):數據幀將數據從發送器傳輸到接收器。CAN協議有兩種數據幀類型標準2.0A和標準2.0B。 兩者本質的不同在于ID的長度不同。在2.0A類型中,ID的長度為11位;在2.0B類型中,ID的長度為29位。它由7個域組成:幀起始、仲裁域、控制域、數據域、CRC校驗碼域、應答域、幀結束。

(2) 遠程幀(Remote):總線單元發出遠程幀,請求發送具有同一標識符的數據幀。接收數據的節點可通過發遠程幀請求源節點發送數據。它由6個域組成:幀起始、仲裁域、控制域、校驗域、應答域、幀結束。

(3) 錯誤幀(Error):任何單元檢測到總線錯誤就發出錯誤幀。由錯誤標志和錯誤分界兩個域組成。接收節點發現總線上的報文有誤時,將自動發出“活動錯誤標志”,其他節點檢測到活動錯誤標志后發送“錯誤認可標志”。

(4) 過載幀(Overload):過載幀用在相鄰數據幀或遠程幀之間提供附加的延時。由超載標志和超載分隔符組成。超載幀只能在一個幀結束后開始。當接收方在接收下一幀之前,需要過多的時間處理當前的數據,或在幀間空隙域檢測到顯性電平時,則導致發送超載幀。

1.3 CAN協議控制器

目前主流的CAN協議控制器一般采用I/O總線(SJA1000等)或SPI接口(MCP2515等)與處理器進行通信。該設計采用SJA1000控制器。

SJAl000是一款獨立CAN控制器,應用于移動目標和工業局域網控制領域。SJAl000具有兩種工作模式:BasicCAN和PeliCAN。該設計采用PeliCAN工作模式。SJA1000用來完成CAN協議所規定的物理層和數據鏈路層的所有功能,它可以支持多種處理器的時序特性,如Intel模式或Motorola模式,與微處理器的接口非常簡單,微處理器以訪問外部存儲器的方式來訪問SJA1000。

SJA1000通過CAN控制器接口即PCA82C250[3]芯片接到CAN總線上。CAN收發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,提供了對總線的差動發動和接收能力,與ISO11898標準完全兼容,有三種不同的工作方式即高速、斜率控制和待機,可根據實際情況選擇。硬件電路中使用PCA82C250是為了增加通信距離,提高系統的瞬間抗干擾能力,保護總線,降低干擾等。

2 系統設計

2.1 系統方案設計

根據通用計算機的總線分類,可采用基于ISA總線對多通道實時CAN總線模擬器進行研制,根據CAN總線通信原理可以提出以下兩種設計方案:

(1) ISA總線+CAN通信控制器;

(2) ISA總線+微處理器+CAN通信控制器。這兩種設計方案的不同點在于是否采用處理器來加強控制。

由于CAN總線通信要求實時性高,再加上多通道的設計滿足實際的需要,故采用單片機來負責CAN總線的通信功能。在這里主要介紹單片機與CAN控制器之間的設計部分,其系統設計框圖如圖1所示。

單片機選用DALLAS公司的DS89C430[4],它是當前8051兼容微控制器中性能最高的。具有重新設計的處理器內核,在相同的晶振頻率下,執行指令的速度是最初8051微處理器的12倍。特性:高速8051架構,每個機器周期一個時鐘;片內存儲器16 KB/32 KB/64 KB閃存,在應用可編程,通過串口實現在系統可編程;與8051引腳和指令集兼容;四路雙向、8位I/O端口;三個16位定時器/計數器;256 B暫存RAM等特點。可根據實際應用的需要選擇其部分功能。

隨著可編程邏輯器件的飛速發展,其應用領域不斷擴大,可用于譯碼、解碼等方面,使用CPLD[5]可以提高系統集成度,降低噪聲,增強系統可靠性。因此,單片機與CAN控制器之間的鎖存、譯碼采用Xilinx公司 XC95144 CPLD芯片[6],優化了系統資源,降低了其功耗。

2.2 系統硬件設計

[JP2]該部分由單片機、CAN 控制器、CAN收發器、SRAM存儲器組成。單片機[7]主要用于系統計算及信息處理等功能;CAN控制器主要用于系統通信;CAN收發器主要用于增強系統的驅動能力;SRAM主要用于緩存數據。

系統的發送過程是:單片機將外圍設備傳送過來的信息處理后,按CAN規范規定的格式,將其寫入CAN控制器的發送緩沖區,并啟動發送命令,把數據發送到CAN總線上;接收過程是:CAN控制器從CAN總線上自動接收數據,并經過濾后存入CAN接收緩沖區,且向單片機發出中斷請求,此時單片機可從CAN接收緩沖區讀取要接收的數據。

SJAl000提供的微處理器接口方式為典型INTEL或MOTOROLA地址數據多路復用總線模式。主要信號有地址數據信號AD7～AD0,地址選通信號ALE,片選信號CS,讀信號RD,寫信號WR,模式選擇信號MODE。當MODE=1時,為INTEL模式;當㎝ODE=0時,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,傳送的是地址信號,在RD或WR有效時,傳輸的是數據信號,在這里分別與單片機的P0口相連,RD,WR信號線分別與單片機的讀/寫信號線相連。具體方案如圖2所示。限于篇幅限制,虛線內給出1路CAN的連接圖,2路CAN有同樣的連接方法。[JP]

由于多I/O總線芯片訪問單片機,采用譯碼方式實現片選功能,可采用二[CD*2]四譯碼器74LS139實現SRAM和CAN控制器的片選信號。由于單片機可以查詢或中斷方式訪問,在此采用中斷方式進行CAN多通道選擇訪問,以滿足不同通信速率下數據處理的需要。SRAM的地址線與數據線是分開的,故采用74LS373鎖存器實現鎖存功能?？刹捎?XC95144 CPLD芯片以及VHDL硬件描述語言以實現鎖存、譯碼等功能。

2.3 CPLD設計部分

2.3.1 結構設計

CPLD的輸入信號是單片機發送的信號,由高位地址A[15..8]、ALE鎖存信號、中斷信號以及寫/讀信號組成。地址線A14和A15經譯碼后作為片選信號,ALE實現低8位地址線的鎖存。實體和構造體部分代碼如下所示:

2.3.2 仿真結果

該模塊在Xilinx ISE 9.1工具下進行綜合,并在結合ModelSim環境下進行功能仿真。其仿真結果如圖3所示。

3 軟件設計

該系統軟件設計的關鍵是通信程序設計。通信軟件由三部分組成:單片機和CAN控制器的初始化程序、CAN發送程序、CAN接收程序。對于初始化程序,采用MAX232芯片[9]對單片機進行在線編程,可同時對多通道CAN控制器初始化。對于CAN控制器的初始化程序,主要是通過對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,即通過上電復位、硬件復位或軟件復位給CAN控制器發一個復位請求,便可進入初始化。在復位期間,對必需的寄存器進行設置。對于發送和接受程序,只需把到來的信息幀送到CAN的發送或接受緩沖區,同時啟動命令即可。二者可采用查詢方式或中斷方式,對于中斷方式,程序分為主程序和中斷服務程序兩部分設計。

在具體項目中,需要軟硬件結合調試才能保證各部分的設計準確無誤,到達實際應用的要求。