基于CAN總線的集散控制系統智能節點的設計

引言

　　現場總線是當今自動化領域技術發展的一個熱點，被譽為自動化領域的計算機局域網。它的出現，標志著工業控制技術領域又一個新時代的開始，并對該領域的發展產生了重要的影響。控制器局域網CAN（ControllerAeraNetwork）屬于現場總線的范疇，CAN總線的數據通信具有極高的可靠性、實時性和靈活性的特點，是一種有效支持集散控制系統和實時控制的多主串行總線。

1.基于CAN總線的集散控制系統

　　基于CAN總線的集散控制系統如圖1所示，采用現場總線式控制系統FCS（FieldbusControlSystem）結構，由上位機、CAN總線控制網絡、CAN智能節點組成。上位機主要完成在線系統監控，上位機通過CAN適配卡與CAN總線相連;CAN智能節點完成數據采集及計算、節點設定、節點控制、運行顯示等。上位機和智能節點之間通過CAN現場總線交換各種數據和管理控制信息。

2.CAN的性能特點

　　CAN為多主方式工作，網絡上任一節點均可在任意時刻主動地向網絡上其他節點發送信息，而不分主從，通訊方式靈活，且無需站地址等節點信息。

　　CAN網絡上的節點信息分成不同的優先級，可滿足不同的實時要求，高優先級的數據最多可在134μs內得到傳輸。

　　CAN采用非破壞性總線仲裁技術，當多個節點同時向總線發送信息時，優先級較低的節點會主動的退出發送，而優先級較高的節點可不受影響地繼續傳輸數據，從而大大節省了總線沖突仲裁時間。

　　CAN只需要通過報文濾波即可實現點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數據，無需專門的“調度”。

　　CAN的直接通信距離最遠可達10km（速率5kbps以下）;通信速率最高可達1Mbps（此時通信距離最長為40m）。

　　CAN上的節點數主要取決于總線驅動電路，目前可達110個，報文標識符可達2032種（CAN2.0A），而擴展標準（CAN2.0B）的報文標識符幾乎不受限制。

　　CAN采用短幀結構，傳輸時間短，受干擾概率低，具有極好的檢錯效果。

　　CAN的每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，保證了數據出錯率極低。

　　CAN通信介質可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。

　　CAN節點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能，以使總線上其他節點的操作不受影響。

3.CAN智能節點硬件設計

　　目前常用的CAN器件分為兩大類，一類是獨立的CAN控制器，如Philips的PCA82C250、SJA1000等，另一類是帶有CAN功能的微控制器，如PIC的DSPIC6014、TI的TMS320F2812、Motorola的MC9S12DT128等等。本文采用Intel的87C196KD微處理器和PHILIP的SJA1000CAN控制器完成CAN總線智能節點的設計。

圖2CAN智能節點硬件電路

　　CAN智能節點硬件電路如圖2所示。電路主要由五部分組成：微控制器87C196KD、獨立CAN控制器SJA1000、CAN總線收發器82C250、高速光電耦合器6N137、復位電路。

　　微控制器87C196KD是CAN智能節點的核心部分，87C196KD具有32K字節的ROM和1000字節的RAM，可用高級語言編程。87C196KD主要完成節點數據采集及計算、節點設定、節點控制、運行顯示等功能，并與CAN控制器SJA1000之間發送、接收數據。

　　SJA1000芯片是一種應用廣泛、性能優異的CAN總線控制器。SJA1000負責完成CAN總線通信協議的物理層和數據鏈路層的功能。它有Basicmode和Pelimode兩種工作模式，與Basicmode模式相比，Pelimode工作模式支持擴展幀，報文標識符可達29位，提供了更加強大的功能。為減少每幀非數據字符的數量，提高信息交換速度，在實際應用中宜采用Basicmode模式。在Basicmode模式下，SJA1000對于微處理器來說相當于一個存儲器映像外圍設備，它的可尋址域由控制段和接收、發送緩沖器組成。SJA1000的AD0～AD7連接到87C196KD的P3口（數據總線），采用并口連接方式，數據讀寫速度快。87C196KD地址總線的P4.6、P4.7通過譯碼器與SJA1000的片選信號CS相連，SJA1000的RD、WR、ALE分別與87C196KD的RD、WR、ALE相連,SJA1000的INT經過非門與87C196KD的EXINT相連,微控制器也可以通過中斷的方式訪問CAN控制器。

　　82C250是CAN控制器與物理總線之間的接口。82C250的CANL和CANH與CAN總線相連，若82C250處于CAN總線的網絡終端，CANL和CANH之間需加一個匹配電阻，用于消除反射信號的干擾。RS用于選擇三種不同的工作方式：高速、斜率控制和待機，RS串接一個電阻后再接地，用于控制上升和下降斜率，減小射頻干擾。

　　為了進一步提高系統抗干擾能力，在CAN控制器SJA1000和CAN總線收發器82C250之間加接高速光電耦合器6N137，并采用DC-DC變換器隔離電源，這樣就很好的實現了總線上各個CAN節點之間的 器隔離。

　　復位電路由看門狗MAX706和手動復位按扭組成。當系統發生故障時，MAX706自動產生復位信號給87C196KD和SJA1000復位，若想重新啟動程序，可用手動復位按扭復位。

4.CAN智能節點軟件設計

　　CAN智能節點的軟件設計主要包括三部分：CAN初始化程序、報文發送程序、報文接收程序。下面給出了BasicCAN模式CAN智能節點軟件的程序框圖和C語言源程序。

　　a.CAN初始化部分
　　

　　#include80c196kd.h>

　　/＊應包含的微控制器寄存器的定義＊/

　　#include_SFR_H_

　　#include_FUNCS_H_

　　#defineBASE_CAN0Xa000/＊定義CAN控制器基址＊/

　　typedefstruct｛

　　unsignedintid;/＊報文標識符＊/

　　unsignedcharrtr;/＊遠程幀位＊/

　　unsignedchardlen;/＊數據長度＊/

　　unsignedchardata[8];/＊數據＊/

　　｝MSG_STRUCT;/＊將CAN協議的幀用C語言的結構表示＊/

　　voidinit_can（）

　　｛

　　＊（unsignedchar＊）（BASE_CAN+0）=0x01;/＊SJA1000進入復位狀態＊/

　　＊（unsignedchar＊）（BASE_CAN+4）=0x00;/＊初始化接收代碼寄存器ACR＊/

　　＊（unsignedchar＊）（BASE_CAN+5）=0xff;/＊初始化接收屏蔽寄存器AMR＊/

　　＊（unsignedchar＊）（BASE_CAN+6）=0x00;/＊初始化總線時序寄存器BTR0＊/

　　＊（unsignedchar＊）（BASE_CAN+7）=0x14;/＊初始化總線時序寄存器BTR1＊/

　　＊（unsignedchar＊）（BASE_CAN+8）=0xfa;/＊初始化輸出控制寄存器OCR＊/

　　｝