CAN总线接口电路的硬件设计
1绪论 1.1CAN总线简介 CAN[ Control( Controller) Area network是控制(器)局域网的简称。CAN是 种有效攴持分布式控制或实时控制的串行通信网络,最初由德国 Bosch公司80年代 用于汽车内部测试和控制仪器之间的数据通信。日前CAN总线规范已被国际标准化组 织ISO制订为国际标准IS011898,并得到了 Motorola, Intel, Philips等大半导体 器件生产厂家的支持,迅速推出各种集成有CAN协议的广品。目前CAN总线主要用于 汽车自动化领域,如发动机自动点火、注油、复杂的加速刹车控制(ASC)、抗锁定刹 车系统(ABS)和抗滑系统等。BENZ、BMW等著名汽车上已经采用CAN来满足上述功能 在工业过程控制领域,CAN也得到了广泛的应用。 1.1.1CAN协议 CAN总线采用分层结构,规范规定了任意两个节点之间的兼容性。包括电气特件 利数据解释协议。 CAN协议可分为:目标层、传送层、物理层。其中目标层和传送层包括了ISO/0SI 定义的数据链路的所有功能。目标层的功能包括:确认要发送的信息;位应用层提供 接口。传送层功能包括:数据帧组织:总线仲裁:检错、错误报告、错误处理 CAN总线以报文为单位进行信息交换,报文中含有标示符(ID),它既描述了数据 的含义又表明了报文的优先权。CAN总线上的各个协点都可主动发送数据。当同时有 两个或两个以上的节点发送报文时,CN控制器采用ID进行仲裁。ID控制节点对总 线的访问。发送具有最高优先权报文的节点获得总线的使用权,其他节点自动停止发 送,总线空后,这些节点将自动重发报文 CAN支持四类信息帧类型 1)数据帧CAN协议有两种数据帧类型标准2.0A和标准2.0B。两者本质的 不同在于ID的长度不同。在2.0A类型中,ID的长度为11位;在2.0B类型中ID为 29位。一个信息震中包括7个主要的域 帧起始域—一标志数据帧的开始,由一个显性位组成。 仲裁域——内容由标示符和远程传输请求位(RTR)组成,RTR用以表明此信息帧 是数据帧还是不包含任何数据的远地请求帧。当2.0A的数据帧和2.0B的数据帧必须 在同一条总线上传输时,首先判断其优先权,如果ID相同,则非扩展数据帧的优先 权高于扩展数据帧。 控制域——r0、r1是保留位,作为扩展位,DLC表小一帧中薮据字节的数目 数据域——包含0~8字节的数据 校验域——检验位错用的循环冗余校验域,共15位。 应答域——包括应答位和应答分隔符。正确接收到有效报文的接收站在应答期间 将总线值为显性电平。 帧结束——由七位隐性电平组成 (2)远程帧接受数据的节点可通过发远程帧请求源节点发送数据。它由6个域 组成:帧起始、仲裁域、控制域、校验域、应答域、帧结束。 (3)错误指示帧由错误标志和错误分界两个域组成。接收芧点发现总线上的报 文有误时,将自动发出“活动错误标忐”其他节点检测到活动错误标忐后发送“错误 认可标志”。 (4)超载帧由超载标志和超载分隔符组成。超载帧只能在一个帧结束朿后开始。 当接收方接收下一帧之前,需要过多的吋间处理当前的数据,或在帧问空隙域检测到 显性电平时,则导致发送超载帧 (5)帧问空隙位于数据帧和远地帧与前面的信息帧之问,由帧间空隙和总线空 闲状态缃成。帧间空隙是必要的,在此期间,CAN不进行新的帧发送,为的是CAN控 制器在下次信息传递前有时间进行内部处理操作。当总线空闲时CAN控制器方可发送 数据。 1.1.2电气参数及信号表示 总线上的数据采用不归零编码方式(NRZ),可具有两种互补的逻辑值之一:显性 及隐性。CAN总线屮各节点使用相同的位速率。它的每位时间由同步段、传播段、相 位缓冲段1及相位缓冲段2组成。发送器在同步段前改变输岀的位数值,接受器在两 个相位缓冲段间采样输入位值,而两个相位缓冲段长度可自由调节,以保证采样的可 靠性。另外,CAN总线采用吋钟同步技术来保证通讯的同步 的主要技术特点 CAN网络上的节点不分主从,任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发 送信息,通信方式灵活,利用这一特点可方便地构成多机各份系统 CAN只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送 接收数据,无需专门的"调度 CAN的直接通信距离最远可达10km(速率5kbps以下);通信速率最高可达 IⅦbps(此时通信距离最长为40m) CAN上的节点数主要决定于总线邬动电路,目前可达110个;报文标识符可达2032 种(CAN2.0A),而扩展标准(CAN2.0B)的报文标识符几乎不受限制。 总线通信系统拓扑结构 CAN在物理结构上属于总线式通信网络。系统的组成如下图 CA总线 智能节点 智能节点 上位PC机 现场设备 现场设备 图1CAN总线系统结构图 该系统由上位监控PC机、智能节点和现场设备三部分组成。上位监控PC机主要 负责对系统数据的接受与管理、控制命令的发送以及各控制单元动态参数和设备状态 的实时显示;智能节点可以使现场设备方便地连接到CAN总线上,主要负责对现场的 环境参数和设备状态进行监测,对采集来的数据进行打包处理并将处理占的数字信号 通过CAN通信控制器SJA1000发送到CAN总线。智能节点的设计和选择,对通信信号 的传输发送有很的影响,系统中的数据传送和接收,都是通过CAN总线接口实现。CA 总线接口电路的设计,对CAN总线很是重要。木文正是基于此,对CAN总线接口电路 进行设计分析,给出一种设计方案 2CAN总线接口电路设计 2.1总体方案设计 CN总线接口电路主要包括:单片机、控制器接口、总线收发器和看门狗电路等。 采用 Philips公司生产的SJA1000控制器和与其配套的82C250CAN收发器。按照CAN 总线物理层协议选择总线介质,设计布线方案,连接成CAN网络。双绞屏蔽线可设两 套,在两套介质上同时进行信息传输,接收方只用一个介质。在冗余和非冗余段的连 接临界点处进行总线切换。 硬件电路的设计主要是CNN通信控制器与微处理器之间和CAN总线收发器与物理 总线之间的接口电路的设计。CAN通信控制器是CAN总线接口电路的核心,主要完成 CAN的通信协议,而CAN总线收发器的主要功能是增大通信距离,提高系统的瞬间抗 干扰能力,保护总线,降低射频干扰(RFⅠ),实现热防护等。看门狗电路主要是实现 对电路的监控和复位作用。 目前广泛流行的CAN总线器件有两大类:一类是独立的CAN控制器,如82C200 SJA1000及Inel82526/82527等,另一类是带有在片CAN的微控制器,如P8XC582及 16位微控制器87C196CA/CB等。本课题选取 PHILIPS公司的SJA1000CAN控制器以及 82C250总线收发器,主要是考虑到SJA1000支持CAN2.0A/B规约。而82C250可以支 持110个CAN节点,并且国内市场上 PHILIPS的产品型号比较多,购买比较方便。在 木次设计中,接口电路简单表示如下图 NCU+ 狗、复 A0器K 2C250收发器 80C514 位电路 CAN接线 图2-1接口电路总体框图 2.2各模块电路的设计 2.2.1单片机最小系统 本设计屮,应用到单片机为 ATMEL公司51系列的89C51,该型号的单片机应用广 泛,技术成熟,市场上价格便宜,而且在学习中所学到的多为该型号,在本次设计中 是首选的芯片。89C51单片机作为系统的核心控制部分,但在本设计中不是重点讲解 内谷,其相关技术应用和引脚特点功能等,可参照其他相关资料。设计的电路原理方 框大致如下图2-2所示。 设计中为避免出现时钭信号的冲突,对单片机的外接晶振引脚XTAL1、XTAL2不 接上外围电路,而是通过控制器SJA1000的时钟信号脚反馈给单片机。同时,对单片 机的复位信号处理,RST引脚接上X5045P的RST脚,复位信号可由X5045P输出,在 X5045P芯片看门狗外围电路的作用下,诚少了以往由电阻、电容组成的简易复位电路 造成的不精确、延时高等不良作用,使单片机回复到初始状态,完成复位操作。由于 在该电路屮要用到单片机的存储作用,存储由SJA1000传输过来的处理数据。因此, 脚/EA接上高电平,选用片内ROM。对ALE脚,也即地址锁存有效信号除数端是和控 制器SJA1000的ALE脚接通。 图2-2单片机最小系统 2.2.2CAN总线接口控制电路设计 SJA1000在电路中是一个总线接口芯片,通过它实现上位机与现场微处理器之间 的数据通信。该电路的主要功能是通过CN总线接收来自上位机的数据进行分析组态 然后下传给下位机的控制电路实现控制功能,当CN总线接口接收到下位机的上传数 据,SJA1000就产生一个屮断,引发微处理器产生屮断,通过中断处理程序接收每 帧信息并通过CAN总线上传给上位机进行分析。AT89C51是CAN总线接口电路的核心 其承担CAN控制器的初始化、CAN的收发控制等任务。 2.2.2.1SJA1000简介 PHILIPS公司的PCA82C200是符合CAN2.0A协议的总线控制器,SJA1000是它的 替代产品,亡是应用于汽车和一般工业环境的独立CAN总线控制器。具有完成CAN通 信协议所要求的仝部特性。过简单总线连接的SJA1000可完成CAN总线的物理和数 据链路层的所有功能。其硬件与软件设计和PCA82C200的基本CAN模式( Besian) 兼谷。同时,新增加的増强CAN模式( Pelican)还可支持CAN2.OB协议。SJA1000的 主要特性如表1所示 表1SJA1000寄存器配置(复位模式) 名称地7 址 模式 睡眠方滤波方自检方 复 监听方式 寄存 式 式 位 命 寄存 求状否/收线冲天折发令 自收请清超限释放接 送 状态 错误状发送状接收状发送完发送缓 接 2总线状态 数据超限 寄存 态 太 态成状态冲器状 收 中断 总线错误仲裁丢错误认唤醒中数据超错误报 接 发送中断 寄存 中断失中断可状态断限中断警中断 收 中断 总线错误仲裁丢锴误认唤醒中数据超错误报发送中断接 允许 中断允许失中断可中断断允许限中断警中断允许收 保留|5 BRP 6 SJM.1 SJM.0BRP5 BRP.4BRP.3BRP.2BRP. 定时 总线 TSEG2 TSEG2. TSEG1. TSEG1 TSE TSEG2. 1 TSEG1 1 2 3 2 输出 OCM 8 COTP1OCTN1OCPOL1OCTPO OCTNO OCPOLOOCMODE1 控制 ODE 测试 寄存 保留10 仲裁 ALC ALC.4ALC.3ALC.2ALC. 丢失 出错 ECC 12 ECC. 7 ECC. 6 ECC.5 ECC. 4 ECC.3 ECC. 2 ECC. 码捕 错误 EWL. 7 EWL. 6 EWL. 5 EWL. 4 EWL.3 EWL. 2 EWL. I 警告 RX出 RXERR RX上R. RXERR.RX上R RXE 错/14RXER7 RXERR. 5 RXERR. 1 6 TX出 TXERR TXERR TXERR. TXERR TXE 15TXERR.7 TXERR. 5 TXERR. 1 错计 6 3 2 RR 滤波16 AC AC. 7 AC 6 AC 5 AC. 4 AC. 2 AC. I 码寄 滤波20 AM AM. 7 AM. 6 AM. 5 AM.4 AM. 3 aM. 2 AM. I 屏蔽 保 24 00H OOH OOH OOH 00H 00H 00H 报 RMC 29 0 RMC.4RMC.3RMC.2RMC. 文个 RX缓 30 RBSA.5 RBSA. 4 RBSA. 3 RBSA.2RBSA. 中器 A.0 时钟 Clock 31CN模式CBP| RXINTEN|0 CD. 2 CD. 1 分配 fff 0 内部32 RAM 内部|96/ RAM 108 内部109 RAM /11 00H 112 /12 ●管脚及电气特性与独立CAN总线控制器PCA82C200兼容; ●软件与PCA82C200兼容(缺省为基本CAN模式); ●扩展接收缓冲器(64字节FIFO) ●支持CAN2.0B协议; ●同时支持11位和29位标识符 ●位通讯速率为 AMbits/s; ●增强CAN模式( Pelican); ●采用24MHz时钟频率; ●支持多种微处理器接口; ●可编程CAN输出驱动配置; ●工作温度范围为-40~+125℃ At感 ADT B h alEas 园A EAC LOVE 6 纽A CLKOUT E 团vs xTAL回 xTAL2回 网 nE画 回v 回T TEL s 图2-3SJA1000引脚配置 SJA1000的功能框图如表1所示,图2-3是其引脚图。从表1可以看出,SJA1000 型独立CAN总线控制器由以下几部分构成 (1)接口管理逻辑:它接收来自微处理器的命令,控制CAN寄存器的地址,并 为微处理器提供中断和状态信总。 (2)发送缓冲器:有13字节长。它位于CPU和位流处理器(BSP)之间,能存 储一条将在CAN总线上发送的完整的报文,报文由CPU写入,由SBP读出。 (3)接收缓冲器(RXB、 RXFIFO):它是CP和接收滤波器之间的接口,川来存 储从CAN总线接收并通过了滤波的报文。接收缓冲器RXB是提供给CPU可访问的13 字节的窗口,这个窗口是属于接收FIFO( RXFIFO)的一部分,共由64字节长。有了 这个FIFO,可以在CPU处理一个报文的同时继续接收其他到来的报文 (4)接收滤波器:它把报文头中的标识符和接收滤波寄存器中的内谷进行比较, 以判断文报文是否被接收。如果被接收,报文存入 RXFIFO。 (5)位流处理器:它是一个控制发送缓冲器、 RXFIFO并行数据和CAN总线(串 行数据)之间数据的序列发生器,同时它也执行错淏检测、仲裁、位填充和CAN总线 错误处理功能。 (6)位定时逻辑不:它将SJA1000同步于CAN总线上的位流 (7)错误管琲逻辑:它按照CAN协议完成错误界定。 由于SJA1000与PCA82C2000兼容,因此SJA1000的缺省工作方式即基本CAN模 式与82C200相同。下面介绍SJA1000工作在增强CAN模式( Pelican)下的寄存器配