基于CAN通訊的井下儀器設計

王宏偉，李彬寶，吳靚，代鑫，彭祥

(中地裝(重慶)地質儀器有限公司，重慶 400033)

0 引言

CAN是控制器局域網絡(controller area network)的簡稱，由于CAN總線的通訊方式具有高可靠性、實時性和不限節點的靈活性，成為當前通訊領域中應用最廣泛的現場總線之一，特別是在汽車領域，汽車控制系統中包含多種傳感器節點和控制終端，主要通過CAN總線的通訊方式實現。除此之外，CAN的應用領域正在向各行各業拓展，如機械工業、物探工程、石油鉆探、航空航天、船舶管理、海港控制、農業機械、智能家居、機器人、醫療儀器等等。CAN通訊的優勢使得它已被公認為最有前途的現場總線之一。

1 關鍵技術介紹

1.1 CAN總線簡介

CAN總線是兩線制，CAN_H和CAN_L，通訊介質通常有幾種，最常見的是雙絞線，此外，由于應用領域的不同，通訊介質還有光導纖維和同軸單芯電纜等。在總線上可以掛載多個節點，節點不分主從，通訊時各個節點根據CAN總線協議，由系統設置相應參數自動進行仲裁和優先級判別。通訊距離與節點個數和傳輸速率有關，傳輸速率越低且節點數越少，傳輸距離越遠。但大多數CAN總線應用在系統儀器內部，通常傳輸距離都足以保障通訊質量的要求。

本設計是在井下探測儀器(以下簡稱探管)中應用CAN通訊技術，探管級聯總長度不超過10 m，在CAN傳輸終端采集的數據實時性強，雙線差分信號抗電磁干擾能力強，且根據CAN總線協議，每幀數據都有CRC校驗和其他錯誤檢測機制，能夠保證數據傳輸的準確性和可靠性。此外，CAN_H和CAN_L兩線應用于級聯探管中線束較少，結構設計簡便。

1.2 STM32單片機簡介

STM32是意法半導體出品的ARM單片機，性能高、價格便宜、使用簡便、程序開源、封裝體積小，具有不同容量大小和產品性能。開發人員可根據設計需求選擇適合的產品，STM32系列單片機現已成為時下最主流微控制器之一。

本設計中采用STM32F103CBT6作為主控芯片，該芯片基于ARM Cortex-M3內核，含有豐富的外設TIM、CAN、SPI、I2C、UART、USB等，工作頻率最高達到72 MHz。STM32單片機內部集成的CAN控制器是基本擴展CAN，支持CAN協議2.0A(標準型)和2.0B(擴展型)。作為測井儀器的主控芯片，完全能夠滿足通訊和傳輸速率等要求，性價比很高。

2 硬件電路設計

2.1 選用高速CAN通訊網絡

本設計的通訊網絡遵循ISO 11898標準的高速、短距、閉環網絡，傳輸速率為500 kb/s。每個節點都含有一個CAN控制器和一個CAN收發器，CAN控制器已集成在單片機內部，CAN收發器與單片機直接相連，每個節點的CAN收發器都輸出兩條線，即差分信號線CAN_H和CAN_L，為保證線束阻抗匹配，在兩條線的終端均配有一個120 Ω的電阻，該電阻能有效減少回波反射和噪聲干擾。

2.2 CAN收發器選型

STM32單片機內部集成CAN控制器，而引腳輸出TTL電平，必須將其轉換為差分信號才能掛載到總線上，因此需要選用一款合適的CAN收發器作為電平轉換芯片。

本設計選用飛思卡爾的高速CAN收發器MC33901。MC33901收發器支持最低5 kb/s傳輸速率，標準8 pin輸出，如圖1所示。不需要外部過濾器組件就能實現電磁兼容和防靜電性能，在各種波特率下均無出現嚴重的過沖現象。

圖1 MC33901外圍電路Fig.1 Peripheral circuit of MC33901

圖2 探管級聯示意圖Fig.2 Schematic diagram of cascading probe tube

2.3 井下探管級聯設計

探管級聯方式如圖2所示，公共短節探管單片機內部集成CAN控制器，通過CAN收發器進行通訊，其他測量參數探管以同樣的方式掛載到CAN總線。如前文所述，CAN總線節點在總線上均可廣播和監聽數據，在電氣方面具有同等地位，也就是說可以不區分是否為公共短節還是其他參數測量探管。實際應用中為了進一步控制不同節點的功能，通常會假定一個主機，比如假定公共短節探管為主機，其他參數測量探管為從機，通過軟件設置數據段加密的方式可實現主從機功能，主機發送命令，從機根據CAN監聽的數據段內容做出相應動作。

無論主機還是從機，在發送報文時集成在單片機內部的CAN控制器將報文由單片機引腳CAN_TX發出，信號為普通邏輯電平。然后經過CAN收發器把這個電平轉換成差分信號，通過兩線電壓差區分顯性電平還是隱性電平，即CAN收發器與單片機相連的輸入部分有區分“發送”和“接收”，此時信號被廣播到總線網絡上。在接收報文時，總線上的差分信號經由CAN收發器轉換成能被單片機識別的邏輯電平，即CAN收發器在與總線相連的部分是差分信號，不區分發送端還是接收端，只有CAN_H和CAN_L，此時信號被單片機的引腳CAN_RX接收。

3 軟件程序設計

在井下探管設計中，多個探管級聯需要有多個CAN節點，不同節點具有同等地位。為區分公共短節與其他測量參數探管，本設計中將公共短節所在CAN節點稱為主機，其他級聯的測量探管稱為從機。

3.1 協議及程序流程

本設計采用CAN 2.0B協議，設置29位ID標識符，數據段長度為8字節。不同開發人員可自定義內部協議對數據段進行加密設計，以此進行節點間的命令傳輸。本設計中數據段包含控制命令、返回ID及返回數據等。按照協議完成探管間的通訊任務，不同探管對數據段進行篩選和判別，并執行相應程序命令，程序設計流程如圖3所示。

圖3 程序設計流程圖Fig.3 Flowchart of program design

3.2 參數設置

CAN設置內容比較多，每一項參數的設置都必須仔細斟酌。CAN初始化大致分為4部分：①配置IO接口；②對CAN通訊的中斷方式配置；③CAN工作模式配置，其中包含了CAN總線協議的具體模式配置；④CAN過濾器配置。

(1)IO接口配置。配置CAN的GPIO設置，注意引腳是否為重映射。

(2)中斷方式配置。配置CAN中斷向量及優先級，發送中斷、接收FIFO中斷和錯誤中斷，本設計主要是接收FIFO中斷。

(3)工作模式設置。①時間觸發通訊模式；②硬件自動離線管理；③自動喚醒模式；④自動重傳功能；⑤接收FIFO鎖定，即接收非鎖定，FIFO溢出時覆蓋；⑥發送FIFO優先級，即按照標識符判斷優先級；⑦設置為正常工作模式；⑧通訊位時序配置，本設計設置比特率為500 kb/s，其中CAN_SJW設為1 tq、CAN_BS1設為3 tq、CAN_BS2設為2 tq、CAN_Prescaler設為12。CAN通訊位時序相關的配置，在各個節點必須設置成相同(或相似)以確保正常通信；⑨CAN單元初始化。

(4)CAN接收過濾器設置。①設置過濾器組；②設置過濾器工作模式為標識符屏蔽模式；③設置要過濾的ID高位低位，設置每位都要過濾；④設置過濾器長度；⑤設置過濾器被關聯到FIFO。

4 結語

通過STM32單片機和CAN通訊處理電路，能夠實現一次采集多參數的測井方法。探管級聯組合方式靈活，方便現場安裝，且能配合上位機完成自動識別參數類型的功能，可同時測量自然γ、井溫、三分量、磁化率、磁測斜、四電極系、流體電阻率、三側向電阻率、聲波等參數。經實驗證明該設計能夠保證高傳輸速率和可靠通訊，即使在深井高壓高溫環境下依然能夠保障通訊質量。CAN通訊在測井儀器中的可靠應用已得到實驗驗證，級聯組合方式能夠改善傳統測井方式的人力、物力消耗，可廣泛應用于工程測井領域。