多通道實時CAN總線模擬器設計

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(M(2P2515等)與處理器進行通信。該設計采用SJA1000控制器。
SJA1000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。SJA1000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。