AVR單片機(jī)的CAN總線分析儀設(shè)計(jì)

圖6　自適應(yīng)波特率流程

3.3　報(bào)文接收

　　CAN報(bào)文的接收有2種方式，分別為查詢的方式和中斷的方式。

　　查詢的方式是MCU以一定周期讀取CAN控制器的狀態(tài)寄存器，檢查接收緩沖區(qū)狀態(tài)標(biāo)志是否至少接收到1個(gè)報(bào)文。接收緩沖區(qū)狀態(tài)指示為“空”，表示沒(méi)有接收到報(bào)文，MCU繼續(xù)當(dāng)前的任務(wù)。當(dāng)接收緩沖區(qū)狀態(tài)標(biāo)志指示為“滿”，表示已接收至少1個(gè)報(bào)文，MCU從控制器取出報(bào)文，并寫命令釋放接收緩沖區(qū)標(biāo)志。查詢方式的不足是： 查詢周期如果過(guò)短，就會(huì)使MCU大部分時(shí)間運(yùn)行在報(bào)文的接收查詢上，使其效率降低；若查詢周期過(guò)長(zhǎng)，由于接收緩沖區(qū)的長(zhǎng)度有限會(huì)造成數(shù)據(jù)溢出，導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作。

　　中斷的方式是主程序在中斷控制的報(bào)文接收之前使能接收中斷和MCU的全局中斷。當(dāng)控制器已接收1個(gè)報(bào)文，該報(bào)文通過(guò)驗(yàn)收濾波器并放入接收緩沖區(qū)，則產(chǎn)生接收中斷。這樣MCU能夠立即響應(yīng)，處理這個(gè)接收到的報(bào)文，然后釋放接收緩沖區(qū)。整個(gè)接收的過(guò)程可在中斷服務(wù)程序中完成，不需要與主程序發(fā)生交互作用。中斷方式可以避免查詢方式的不足，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。所以在設(shè)計(jì)報(bào)文接收時(shí)選擇中斷方式進(jìn)行報(bào)文的接收。圖7為報(bào)文接收流程。

圖7　報(bào)文接收流程

3.4　總線狀態(tài)計(jì)算

　　CAN分析儀主要的功能就是分析CAN總線上的各種總線參數(shù)，從而給使用者提供一個(gè)透明的窗口來(lái)觀測(cè)總線的運(yùn)行狀況。CAN 總線協(xié)議屬于較為高級(jí)的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議, 工作過(guò)程較為復(fù)雜。從工程實(shí)用的角度看，以下性能參數(shù)具有較高的參考價(jià)值:

　　◆ 總線波特率，也叫做總線位速率，表示每秒鐘傳送信息位的數(shù)量，只有網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的波特率相一致時(shí)才能夠進(jìn)行正常的報(bào)文收發(fā)。

　　◆ 總線吞吐量，總線單位時(shí)間內(nèi)傳送的報(bào)文總數(shù)。

　　◆ 總線出錯(cuò)率，總線單位時(shí)間的錯(cuò)誤報(bào)文數(shù)。

　　◆ 總線負(fù)載，每秒鐘節(jié)點(diǎn)發(fā)送的位數(shù)與總線波特率之比。

除此之外，為了更方便地檢查總線狀態(tài)，又增添了顯示功能，可以顯示接收?qǐng)?bào)文、狀態(tài)寄存器、報(bào)文總數(shù)、報(bào)文計(jì)數(shù)器、錯(cuò)誤代碼等。總線分析軟件程序中所采用的算法簡(jiǎn)述如下。

　　（1） 總線吞吐量的測(cè)試

　　首先設(shè)定計(jì)數(shù)器i=0，定時(shí)器時(shí)間t=0，測(cè)量值數(shù)組count[5]={0}。當(dāng)接收到總線上的1個(gè)報(bào)文并釋放接收緩沖區(qū)時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器，設(shè)定定時(shí)時(shí)間t=5 s，等待定時(shí)中斷發(fā)生。計(jì)數(shù)器放在接收中斷函數(shù)中，當(dāng)成功接收1幀報(bào)文時(shí)，i=i+1。定時(shí)器中斷發(fā)生時(shí)，將計(jì)數(shù)器的值i存入count[5]數(shù)組中。之后啟動(dòng)下一次定時(shí)，當(dāng)數(shù)組滿時(shí)，結(jié)束測(cè)試，對(duì)count數(shù)組進(jìn)行排序，并去除最大和最小值。總線吞吐量V為：

(2) 總線負(fù)載的測(cè)試

　　通過(guò)之前的自適應(yīng)波特率程序已經(jīng)檢測(cè)到總線上的波特率為bote，設(shè)定計(jì)數(shù)器j=1，定時(shí)器t=0，報(bào)文位數(shù)設(shè)為c1=0，報(bào)文位數(shù)數(shù)組bit_count[20]={0}。當(dāng)接收到總線上的1個(gè)報(bào)文并釋放接收緩沖區(qū)時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器，設(shè)定定時(shí)時(shí)間t=1 s，等待定時(shí)中斷發(fā)生。報(bào)文位數(shù)、報(bào)文位數(shù)數(shù)組和計(jì)數(shù)器放在接收中斷函數(shù)中。當(dāng)成功接收1幀數(shù)據(jù)時(shí)，j=j+1，通過(guò)讀取接收幀信息SFF可以判定該幀數(shù)據(jù)有多少位，將位數(shù)寫入c1，并存入bit_count[20]數(shù)組中。定時(shí)時(shí)間到時(shí)，拷貝計(jì)數(shù)器值，結(jié)束測(cè)試。總線負(fù)載U為：

3.5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　為了便于測(cè)試分析儀的有效性和準(zhǔn)確性，取單節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，即總線上只有1個(gè)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行報(bào)文發(fā)送。分別取波特率5 kbps、10 kbps、50 kbps、100 kbps，發(fā)送報(bào)文時(shí)間間隔100 ms、150 ms、200 ms、250 ms、400 ms、450 ms、500 ms、800 ms，每幀報(bào)文有8字節(jié)數(shù)據(jù)域。實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果如表1所列。

表1　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)每100 ms發(fā)送1幀報(bào)文時(shí)，檢測(cè)到的總線吞吐量為10幀/s，即總線每秒傳送的報(bào)文總數(shù)為10幀，與實(shí)際相符。在不同的報(bào)文發(fā)送間隔和不同的總線波特率下，所測(cè)得的總線吞吐量和總線負(fù)載與實(shí)際相吻合。

4　結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)的CAN總線分析儀在實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)上進(jìn)行了調(diào)試，主要調(diào)試的項(xiàng)目包括自適應(yīng)波特率、液晶顯示和CAN總線通信監(jiān)測(cè)等。實(shí)踐證明該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)（并兼容CAN2.0A節(jié)點(diǎn)）監(jiān)測(cè)分析的功能，指標(biāo)達(dá)到預(yù)期的效果。為CAN總線的工程開(kāi)發(fā)應(yīng)用和教學(xué)提供了一種簡(jiǎn)潔、高效的調(diào)試和監(jiān)測(cè)手段。