【正文】 基于 CAN總線的單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng) 目錄 1 設(shè)計(jì)說明引言 2 CAN總線特點(diǎn)及協(xié)議介紹 CAN 總線的特點(diǎn) CAN 總線的分層結(jié)構(gòu) 報(bào)文傳送及幀結(jié)構(gòu) 幀格式 幀類型 CAN 總線通信原理 3 CAN總線單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) SJA1000簡介 SJA在 CAN總線系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用 3. 2CAN總線硬件接口電路設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng) PAC82C250簡介 CAN 通信電路設(shè)計(jì) CAN總線接口電路 C8051F310簡介 PAC82C250簡介 4 CAN總線 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 5 CAN總線的單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 6 CAN總線的單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng) 原理圖 設(shè)計(jì) 7 總結(jié) 設(shè)計(jì)說明 引言 現(xiàn)場總線（ Fieldbus）是用于過程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域的現(xiàn)場智能設(shè)備互連通訊網(wǎng)絡(luò)。它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)路的基礎(chǔ)，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場及控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。它不僅是一個(gè)基層網(wǎng)絡(luò)，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng)。這是一項(xiàng)以智能傳感、控制、計(jì)算機(jī)、數(shù)字通訊等技術(shù)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)。 本課題在深入研究 CAN 現(xiàn)場總線協(xié)議后，力求能設(shè)計(jì)出符合 CAN 總線協(xié)議的現(xiàn)場智能節(jié)點(diǎn)模塊，能夠接收和處理現(xiàn)場信號并能將處理好的信號發(fā)送給現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場執(zhí)行器完成轉(zhuǎn)換任務(wù)。本課題的最終目的是達(dá)到對現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的掌握和應(yīng)用，并且掌握用電子硬件開發(fā)的思路和方法，培養(yǎng)和提高個(gè)人的獨(dú)立科研及設(shè)計(jì)能力。 CANbus(Controller Area Network)即 控制器局域網(wǎng)是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。最初CANbus被設(shè)計(jì)作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊工具，用于在車載各電子控制裝置 ECU之間交換信息，從而形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。如今， CANbus作為一種技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、功能完善、成本合理的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通訊控制方式，已被廣泛應(yīng)用到各個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。而且 CANbus 總線在通信能力、可靠性、實(shí)時(shí)性、靈活性、易用性、傳輸距離等方面較 RS485 總線有著明顯的優(yōu)勢。因而用 CAN 總線取代 RS485總線將是大勢所趨。 CAN總線（ Control Area Network,控制局域網(wǎng)絡(luò)）最初是由德國 Bosch 公司為汽車內(nèi)部的監(jiān)控系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，世界上一些著名的汽車制造廠商，如 BENZ , BMW , PORSCHE , ROLLSROYCE等都以采用 CAN總線來實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信。 CAN是一種有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)，具有物理層，數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層三層協(xié)議。 CAN總線專用接口芯片中以固件形式集成了 CAN 協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能：可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括：位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余校驗(yàn)、優(yōu)先級判別等多 項(xiàng)工作。 CAN總線各節(jié)點(diǎn)之間依據(jù)優(yōu)先權(quán)進(jìn)行總線訪問，以廣播的形式進(jìn)行通信。 CAN 總線產(chǎn)品由于結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用靈活方便、可靠性強(qiáng)、通信距離相對較遠(yuǎn)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到工業(yè)界青睞。據(jù) 1992年成立的國際 CAN用戶和制造商非營利組織 CiA(CAN in Automation)統(tǒng)計(jì)，在 1998年銷售了 9700萬個(gè)節(jié)點(diǎn)。其中 80%安裝于歐洲。 CAN節(jié)點(diǎn)的 80%應(yīng)用于車輛，其余應(yīng)用于嵌入式網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)控制系統(tǒng)，如工廠控制系統(tǒng)、機(jī)器人控制系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、機(jī)床控制系統(tǒng)等。在歐洲高能物理項(xiàng)目 CERN中也采用了 CAN總線 。 由于 CAN總線本身的特點(diǎn)，其應(yīng)用范圍已不再局限于汽車行業(yè)，而向機(jī)械工業(yè)、數(shù)控機(jī)床及傳感器等領(lǐng)域發(fā)展，因此對其通信格式的標(biāo)準(zhǔn)化提出了要求。 1991年 9月 Philips Semiconductors制訂并發(fā)布了 CAN技術(shù)規(guī)范 ()。該技術(shù)規(guī)范包括了 A和 B兩部分。 CAN報(bào)文標(biāo)準(zhǔn)格式，而 給出了標(biāo)準(zhǔn)的和擴(kuò)展的兩種格式。此后， 1993年 11月 ISO正式頒布了道路交通運(yùn)輸上數(shù)據(jù)信息交換一高速通信控制器局域網(wǎng) (CAN)國際標(biāo)準(zhǔn) ISO11898，為控制器局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化鋪平了 道路。 CAN總線特點(diǎn)及 協(xié)議介紹 CAN總線的特點(diǎn) CAN總線與其它通信網(wǎng)的不同之處有二：一是報(bào)文傳送中不包含目標(biāo)地址，它是以全網(wǎng)廣播為基礎(chǔ)，各接收站根據(jù)報(bào)文中反映數(shù)據(jù)性質(zhì)的標(biāo)識符來過濾報(bào)文，該收的收下，不該收的棄而不用。其好處是可在線上網(wǎng)下網(wǎng)、即插即用和多站接收；二是特別強(qiáng)化數(shù)據(jù)安全，可滿足控制系統(tǒng)及其它較高數(shù)據(jù)要求的系統(tǒng)需求。 CAN具有以下主要技術(shù)特性： (1)CAN遵從 ISO模型，采用了其中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層與應(yīng)用層。采用雙絞線，通信速率最高可 達(dá)到 1 Mbps／ 40 m，直接傳輸距離 最遠(yuǎn)可達(dá) 10 kin／ 5 kbps。同一段總線內(nèi)最多可掛接 110個(gè)設(shè)備。 (2)CAN 的信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀有效字節(jié)數(shù)為 8 個(gè)。因而傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低。當(dāng)節(jié)發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)， CAN可自動(dòng)關(guān)閉該節(jié)點(diǎn)，同時(shí)切斷與總線的聯(lián)系，以使總線上其它節(jié)點(diǎn)不受影響，因此 CAN總線具有很強(qiáng)的抗干擾能力。 (3)CAN可支持多主工作方式，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)在任何時(shí)候均可主動(dòng)向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，同時(shí)也支持點(diǎn)點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)和全局廣播方式來接收／發(fā)送數(shù)據(jù)。處于優(yōu)先級低的節(jié)點(diǎn)會主動(dòng)停止發(fā)送，以此來避免總線沖突。 CAN屬于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)，由于其采用了許多新技術(shù)及其獨(dú)特的設(shè)計(jì)，與一般的通信總線相比，C 總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，因而一些世界著名的汽車廠商如 BENZ， BMW，ROLLSROYCE 等都采用 CAN 總線來實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信。其特點(diǎn)可概括如下： ? CAN 為多主工作方式，也就是說網(wǎng)絡(luò)上的任何一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，通信方式比較靈活，而不用站點(diǎn)地址等節(jié)點(diǎn)信息。 ? CAN 網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實(shí) 時(shí)要求，高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)最多可在 134us內(nèi)得到傳輸。 ? CAN總線采用非破壞性總線仲裁技術(shù)。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級較低的節(jié)點(diǎn)會主動(dòng)地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁的時(shí)間。 ? CAN總線只需通過報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)。 ? CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá) 10km(速率 5kbps以下 )；通信速率最高可達(dá) 1 Mbps(此時(shí)通信距離最長為40m)。 ? CAN上的節(jié)點(diǎn)主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá) 110個(gè)；報(bào)文標(biāo)識符可 達(dá) 2032種 ()，而擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn) ()的報(bào)文標(biāo)識符幾乎不受限制。 ? CAN總線采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率小，具有極好的檢錯(cuò)效果。 ? CAN的每幀信息都有 CRC檢驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低。 ? CAN 的通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。 CAN總線的分層結(jié)構(gòu) CAN 的遵從 OSI模型，按照 OSI基準(zhǔn)模型， CAN結(jié)構(gòu)劃分為兩層 :數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，其中數(shù)據(jù)鏈路層包括邏輯鏈路層 LLC和媒體訪問控制層 MAC。如圖 21所示： 圖 21 CAN結(jié)構(gòu)圖 LLC 子層的主要功能是：為數(shù)據(jù)傳送和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請求提供服務(wù)，確認(rèn)由 LLC 子層接收的報(bào)文已被接收，并為恢復(fù)管理和通知超載提供信息。 MAC 子層的功能主要是傳送規(guī)則，亦即控制幀的結(jié)構(gòu)、執(zhí) 行仲裁、錯(cuò)誤檢測、出錯(cuò)標(biāo)定和故障界定。物理層的功能是有關(guān)全部電氣特性在不同節(jié)點(diǎn)間的實(shí)際傳送。 CAN技術(shù)規(guī)范 MAC子層和 LLC子層的一部分，并描述與 CAN有關(guān)的外層。物理層定義了信號怎樣進(jìn)行發(fā)送，因而，涉及位定時(shí)、位編碼元和同步的描述。在這部分技術(shù)規(guī)范中，未定義物理層中的驅(qū)動(dòng)器 /接收器特性，以便允許根據(jù)具 體應(yīng)用，對發(fā)送媒體和信號電平進(jìn)行優(yōu)化，使信號傳輸更加方便。 MAC 子層子層是 CAN協(xié)議的核心，它描述由 LLC 子層接收到的報(bào)文和對 LLC 子層發(fā)送的認(rèn)可報(bào)文。MAC子層可響應(yīng)報(bào)文幀、仲裁、應(yīng)答、錯(cuò)誤檢測標(biāo)定。 MAC子層有稱為故障界定的一個(gè)管理實(shí)時(shí)監(jiān)控，它具有識別永久故障或短暫擾動(dòng)的自檢機(jī)制。 LLC子層的主要功能是報(bào)文濾波、超載通知和恢復(fù)管理。 報(bào)文傳送及幀結(jié)構(gòu) 幀格式 規(guī)范中有兩種不同的幀格式，不同之處在于每幀的標(biāo)識符的長度不同。標(biāo)準(zhǔn)幀的標(biāo)識符長度為位而擴(kuò)展幀的長度則為 29位。 幀類型 CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸由以下 4個(gè)不同的幀類型所表示和控制： 數(shù)據(jù)幀：數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)從發(fā)送器傳送到接收器。 遠(yuǎn)程幀：總線單元發(fā)出遠(yuǎn)程幀，請求發(fā)送具有相同標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀。 錯(cuò)誤幀：任何節(jié)點(diǎn)檢測到總線錯(cuò)誤就發(fā)出錯(cuò)誤幀。 超載幀：超載幀用以在先行的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀 (或遠(yuǎn)程幀 )之間提供一附加的延時(shí)。數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀可以使用標(biāo)準(zhǔn)幀及擴(kuò)展幀兩種格式，它們用一個(gè)幀空間與前面的幀分開 數(shù)據(jù)幀 數(shù)據(jù)幀由 7個(gè)不同的位場組成，即幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、 CRC場、應(yīng)答場和幀結(jié)束。數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)如圖 22所示： 圖 22 數(shù)據(jù)幀 1） 幀起始 (SOF)標(biāo)志數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的起始，它僅由一個(gè)顯性位構(gòu)成。只有在總線處于空閑狀態(tài)時(shí)才允許站開始發(fā)送。所有站都必須同步于首先開始發(fā)送的那個(gè)站的幀起始前沿。 2） 仲裁場由標(biāo)識符 ID和遠(yuǎn)程發(fā)送請求位 (RTR)組成。對于 ，標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式的仲裁場格式不同。在標(biāo)準(zhǔn)格式中，仲裁場由 11位標(biāo)識符和遠(yuǎn)程發(fā)送請求位 RTR組成，標(biāo)識符為 ~，如圖 23所示： 圖 23 仲裁場 而在擴(kuò)展格式中，仲裁場由 29位標(biāo)識符、遠(yuǎn)程請求 SRR位、標(biāo)識位（ IDE）和遠(yuǎn)程發(fā)送請求位(RTR)組成，標(biāo)識符位為 ~，如圖 24所示： 圖 24 仲裁場 3） 控制場由 6位組成。其結(jié)構(gòu)如圖 25所示： 圖 25 控制場 IDE位及保留位 r0；擴(kuò)展格式里的控制場包括數(shù)據(jù)長度代碼和兩個(gè)保留位 r1和 r0。保留位必須發(fā)送顯性位。數(shù)據(jù)長度碼 DLC 指出數(shù)據(jù)場的字節(jié)數(shù)目。數(shù)據(jù)長度碼為 4 位，在控制場中被發(fā)送。數(shù)據(jù)字節(jié)的允許使用數(shù)目為 0~8，不通用其他數(shù)值。 4） 數(shù)據(jù)場由數(shù)據(jù)幀中被發(fā)送的數(shù)據(jù)組成，它可包括 0~8個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié) 8位。首先發(fā)送的是最效位。 遠(yuǎn)程幀 遠(yuǎn)程幀由 6個(gè)不同的位場組成：幀起始、仲裁場、控制場 CRC場、應(yīng)答場和幀結(jié)束。與數(shù)據(jù)幀相反，遠(yuǎn)程幀的 RTR位是隱性位。遠(yuǎn)程幀不存在數(shù)據(jù)場。 DLC的數(shù)據(jù)值是沒有意義的，它可以是 08中的任何數(shù)值，這一數(shù)值為對應(yīng)數(shù)據(jù)幀的 DLC，如圖 26所示： 圖 26 遠(yuǎn)程幀 出錯(cuò)幀 出錯(cuò)幀由兩個(gè)不同的場組成，如圖 27所示： 圖 27 出錯(cuò)幀 第一個(gè)場由來自各站的錯(cuò)誤標(biāo)志疊加得到。第二個(gè)場是出錯(cuò)界定符。為了能正確地終止錯(cuò)誤幀，一種 “ 錯(cuò)誤認(rèn)可 ” 的節(jié)點(diǎn)要求總線至少有長度為 3個(gè)位時(shí)間的總線空閑 (如果 “ 錯(cuò)誤認(rèn)可 ” 的接 收器有本地錯(cuò)誤的話 )。因此，總線的載荷不應(yīng)為 100%。 有兩種形式的錯(cuò)誤標(biāo)志，一種是活動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志，另一種是認(rèn)可錯(cuò)誤標(biāo)志?；顒?dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志由 6個(gè)連續(xù)的 “ 顯性 ” 位組成，認(rèn)可錯(cuò)誤標(biāo)志由 6個(gè)連續(xù)的 “ 隱性 ” 的位組成，除非被其他節(jié)點(diǎn)的 “ 顯性 ” 位重寫。 超載幀 超載幀包括兩個(gè)位場 :過載標(biāo)志和過載界定符。如圖 28所示： 圖 28 超載幀 三種超載條件都會導(dǎo)致超載標(biāo)志傳送： 接收器的內(nèi)部條件 (此時(shí)接收器對于下一數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀需要有一延時(shí) )。 間歇場期間檢測到顯性位。 如果 CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤界定符或超載界定符的第 8位 (最后一位 )采樣到一個(gè)顯性位，節(jié)點(diǎn)會發(fā)送一載幀(不是錯(cuò)誤幀 )。錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器不會增加。 CAN總線通信原理 通過對上述的介紹，下面可以對 CAN總線的組織和通信過程作一簡單歸納： CAN 控制器只能在總線空閑狀態(tài)期間啟動(dòng)發(fā)送過程，總線上的所有的控制器同步于幀起始的前沿，這個(gè)過程由硬同步來完成。若有兩個(gè)或更多的 CAN 控制器同時(shí)開始發(fā)送，總線訪問沖突時(shí)通過仲裁場發(fā)送期間位仲裁處理方法予以解決。仲裁期間，每個(gè)進(jìn)行發(fā)送的 CAN 控制器都將發(fā)送的位電平與監(jiān)控總線電平進(jìn)行比較，任何發(fā)送一個(gè)隱性位而監(jiān)視到一個(gè)顯性位電平 的 CAN 控制器立即變成總線上較高優(yōu)先權(quán)報(bào)文的接收器，而不破壞總線上的任何信息。每段報(bào)文包括一個(gè)唯一的標(biāo)識符和在報(bào)文中含描述數(shù)據(jù)類型的 RTR位。標(biāo)識符和 RTR位最先發(fā)送。標(biāo)識符和 RTR位對應(yīng)二進(jìn)制數(shù)值最低的報(bào)文具有最高的優(yōu)先權(quán)。由于數(shù)據(jù)幀的 RTR位為顯性電平，因此數(shù)據(jù)幀比遠(yuǎn)程幀具有更高的優(yōu)先權(quán)。 以上介紹的 CAN 總線的一些概念，說明了 CAN的工作原理和為什么能形成高效率和高可靠性現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的原因。推出 CAN 總線標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)己經(jīng)為其發(fā)展提供了強(qiáng)有力的技術(shù)和物質(zhì)支持。有關(guān)廠家推出的 CAN 控制器芯片和微處理器 (如 Philips 的 PCX82C250及其升級產(chǎn)品 )可完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層