【正文】 基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前言 （一）背景隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，20 世紀(jì) 80 年代中期，率先由 Bosch 公司研發(fā)出新一代的汽車(chē)總線即控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，簡(jiǎn)稱：CAN 總線或 CANbus），CAN 總線具有布線簡(jiǎn)單、典型的總線型結(jié)構(gòu)、可最大限度的節(jié)約布線與維護(hù)成本、穩(wěn)定可靠、實(shí)時(shí)、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，這些都決定了 CAN 總線必定是一種成功的總線。一經(jīng)推出不僅在汽車(chē)行業(yè)得到廣泛的推廣與應(yīng)用，在諸如航天、電力、石化、冶金、紡織、造紙等領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用。在自動(dòng)化儀表、工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、數(shù)控機(jī)床等系統(tǒng)中也越來(lái)越多的使用了 CAN 總線，CAN 總線在未來(lái)的發(fā)展中依然充滿活力，有著巨大的發(fā)展空間。由于 CAN 總線本身只定義 ISO/OSI 模型中的第一層（物理層）和第二層（數(shù)據(jù)鏈路層），通常情況下 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)都是獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，所以沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)層。在實(shí)際使用中，用戶還需要自己定義應(yīng)用層的協(xié)議，因此在 CAN 總線的發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)了各種版本的 CAN 應(yīng)用層協(xié)議，現(xiàn)階段最流行的 CAN 應(yīng)用層協(xié)議主要有 CANopen、DeviceNet 和 J1939 等協(xié)議。而本設(shè)計(jì)采用的協(xié)議時(shí)CANopen。（二）概述 控制器局部網(wǎng)（CAN－CONTROLLER AREA NETWORK）是BOSCH公司為現(xiàn)代汽車(chē)應(yīng)用領(lǐng)先推出的一種多主機(jī)局部網(wǎng)，由于其高性能、高可靠性、實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、多種控制設(shè)備、交通工具、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境控制等眾多部門(mén)?？刂破骶植烤W(wǎng)將在我國(guó)迅速普及推廣。 隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)及集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)已成為計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中最具活力的一個(gè)分支，并取得了巨大進(jìn)步。由于對(duì)系統(tǒng)可靠性和靈活性的高要求，工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展主要表現(xiàn)為：控制面向多元化，系統(tǒng)面向分散化，即負(fù)載分散、功能分散、危險(xiǎn)分散和地域分散。 分散式工業(yè)控制系統(tǒng)就是為適應(yīng)這種需要而發(fā)展起來(lái)的。這類系統(tǒng)是以微型機(jī)為核心，將 5C技術(shù)COMPUTER（計(jì)算機(jī)技術(shù)）、CONTROL（自動(dòng)控制技術(shù)）、COMMUNICATION（通信技術(shù)）、CRT（顯示技術(shù)）和 CHANGE（轉(zhuǎn)換技術(shù)）緊密結(jié)合的產(chǎn)物。它在適應(yīng)范圍、可擴(kuò)展性、可維護(hù)性以及抗故障能力等方面，較之分散型儀表控制系統(tǒng)和集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)都具有明顯的優(yōu)越性。 典型的分散式控制系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、接口與計(jì)算設(shè)備以及通信設(shè)備組成。現(xiàn)場(chǎng)總線（FIELDBUS）能同時(shí)滿足過(guò)程控制和制造業(yè)自動(dòng)化的需要，因而現(xiàn)場(chǎng)總線已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域中最為活躍的一個(gè)領(lǐng)域。現(xiàn)場(chǎng)總線的研究與應(yīng)用已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域的熱點(diǎn)。盡管目前對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的研究尚未能提出一個(gè)完善的標(biāo)準(zhǔn)，但現(xiàn)場(chǎng)總線的高性能價(jià)格比將吸引眾多工業(yè)控制系統(tǒng)采用。同時(shí)，正由于現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，也使得現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用得以不拘一格地發(fā)揮，并將為現(xiàn)場(chǎng)總線的完善提供更加豐富的依據(jù)。控制器局部網(wǎng) CAN（CONTROLLER AERANETWORK）正是在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生的。 由于CAN為愈來(lái)愈多不同領(lǐng)域采用和推廣，導(dǎo)致要求各種應(yīng)用領(lǐng)域通信報(bào)文的標(biāo)準(zhǔn)化。為此，1991年 9月 PHILIPS SEMICONDUCTORS制訂并發(fā)布了 CAN技術(shù)規(guī)范（VERSION ）。該技術(shù)規(guī)范包括A和B兩部分。，能提供11位地址；，提供29位地址。此后，1993年11月ISO正式頒布了道路交通運(yùn)載工具數(shù)字信息交換高速通信控制器局部網(wǎng)（CAN）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898），為控制器局部網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化推廣鋪平了道路。 一、 總體方案設(shè)計(jì)（一） 方案論證方案一：?jiǎn)纹瑱C(jī)AT89C51屬標(biāo)準(zhǔn)型，芯片價(jià)格低廉，引腳與80C51完全兼容。片上外圍資源豐富，片內(nèi)具有41d3 的Flash ROM程序存貯空間，這不僅給程序修改帶來(lái)極大方便，而且避免了外部ROM擴(kuò)展，降低了節(jié)點(diǎn)成 本和線路復(fù)雜性，提高了電路可靠性。另外AT89C51具有在片程序和ROM兩級(jí)保密系統(tǒng)，可防止程序被 非法剽竊。 SJA1000是PHILIP公司推出的功能很強(qiáng)的CAN 控制器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。片內(nèi)含信息緩沖、位流處 理、位定時(shí)邏輯、接收濾波、錯(cuò)誤管理邏輯等電路，并配置有豐富的功能寄存器?？赏瓿蓴?shù)據(jù)成幀、總線填充、 錯(cuò)誤檢測(cè)、總線仲裁及錯(cuò)誤界定處理等CAiN規(guī)范。方案二：采用Luminary公司基于 ARM174。 CortexTMM3 的控制器LM3S5749。Luminary Micro StellarisTM系列的微控制器是首款基于 ARM174。 CortexTMM3 的控制器，它將高性能的 32 位計(jì)算引入到對(duì)價(jià)格敏感的嵌入式微控制器應(yīng)用中。這些堪稱先鋒的器件擁有與 8 位和 16 位器件相同的價(jià)格，卻能為用戶提供 32 位器件的性能，而且，所有器件都是小型封裝形式提供。Luminary Micro 提供一套完整的解決方案以便快速進(jìn)入市場(chǎng)，包括用戶開(kāi)發(fā)板、白皮書(shū)和應(yīng)用手冊(cè)，以及強(qiáng)大的支持、銷(xiāo)售和分銷(xiāo)商網(wǎng)絡(luò)。所以，我們這里就采用M3來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN總線的數(shù)據(jù)采集。（二） 系統(tǒng)框圖如圖1：圖1 系統(tǒng)框圖二、 硬件電路的設(shè)計(jì)外圍電路包括：電源電路、溫度采集、時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)電路、報(bào)警電路、模擬控制電路、按鍵電路、顯示電路以及串口等電路。下面將依次對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行說(shuō)明。（一）電源電路電源變壓器是將交流電網(wǎng)220V的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐?。交流電?jīng)過(guò)二極管整流之后，方向單一了，但是電流強(qiáng)度大小還是處在不斷地變化之中。這種脈動(dòng)直流一般是不能直接用來(lái)給集成電路供電的，而要通過(guò)整流電路將交流電變成脈動(dòng)的直流電壓。由于此脈動(dòng)的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過(guò)濾波電路加以濾除，從而得到平滑的直流電壓。濾波的任務(wù)，就是把整流器輸出電壓中的波動(dòng)成分盡可能地減小，改造成接近穩(wěn)恒的直流電。但這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動(dòng)，一般有%左右的波動(dòng)，負(fù)載和溫度的變化而變化，因而在整流、濾波電路之后，還需要接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)，負(fù)載和溫度變化時(shí)，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。220V交流電通過(guò)9V變壓器變?yōu)?V的交流電，9V交流電通過(guò)四個(gè)二極管的全橋整流后變?yōu)?V直流電，然后經(jīng)過(guò)電解電容（470μF）進(jìn)行一級(jí)濾波，以去除直流電里面的雜波，防止干擾。9V直流電出來(lái)后再經(jīng)過(guò)三端穩(wěn)壓器LM7805穩(wěn)壓成為穩(wěn)定的5V電源，其中7805的Vin腳是輸入腳，接9V直流電源正極，GND是接地腳，接9V直流電源負(fù)極，Vout為輸出腳，它和接地腳的電壓就是+5V了。5V電源出來(lái)再經(jīng)過(guò)電解電容的二級(jí)濾波，使5V電源更加穩(wěn)定可靠。同時(shí)在5V穩(wěn)壓電源加上一個(gè)10K的電阻和一個(gè)紅色發(fā)光二極管，當(dāng)上電后，紅色發(fā)光二極管點(diǎn)亮，表示電源工作正常。此時(shí)一個(gè)穩(wěn)定輸出5V的電源已經(jīng)設(shè)計(jì)好，對(duì)于本設(shè)計(jì)它完全能夠滿足單片機(jī)及集成塊所需電源的要求。電源原理圖如圖2所示：圖2 電源原理圖（二）復(fù)位電路所示為復(fù)位電路原理圖，復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，其主要功能是把PC初始化為0000H,使單片機(jī)從0000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序，并使其它功能單元處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)。本復(fù)位電路采用的是按鍵復(fù)位，它是通過(guò)復(fù)位端經(jīng)電阻與VCC電源接通而實(shí)現(xiàn)的，它兼具上電復(fù)位功能。因本系統(tǒng)的晶振的頻率為12MHz，所以，復(fù)位信號(hào)持續(xù)時(shí)間應(yīng)當(dāng)超過(guò)2μS才能完成復(fù)位操作。圖3 復(fù)位電路（三）CAN總線通訊電路圖4 CAN總線通訊接口（四）按鍵電路,本系統(tǒng)采用的是獨(dú)立式鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)，每個(gè)按鍵單獨(dú)占用一根I/O口線，每個(gè)按鍵的工作不會(huì)影響其它I/O口線的狀態(tài)。它軟件是采用查詢式結(jié)構(gòu)，首先逐位查詢每根I/O口線的輸入狀態(tài)，如某一根I/O口線輸入為低電平，則可確認(rèn)該I/O口線所對(duì)應(yīng)的按鍵已按下，然后，再轉(zhuǎn)向該鍵的功能處理程序。鍵盤(pán)是人與微機(jī)打交道的主要設(shè)備，按鍵的讀取容易引起誤動(dòng)作?？刹捎密浖ザ秳?dòng)的方法處理，軟件的觸點(diǎn)在閉合和斷開(kāi)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，這時(shí)觸點(diǎn)的邏輯電平是不穩(wěn)定的，如不采取妥善處理的話，將引起按鍵命令錯(cuò)誤或重復(fù)執(zhí)行，在這里采用軟件延時(shí)的方法來(lái)避開(kāi)抖動(dòng)，延時(shí)時(shí)間20ms。按下某鍵時(shí)，對(duì)應(yīng)的功能鍵解釋程序得到執(zhí)行，如操作者沒(méi)有釋放按鍵，則對(duì)應(yīng)的功能會(huì)反復(fù)執(zhí)行，好象連續(xù)執(zhí)行，在這里我們采用軟件延時(shí)250ms，當(dāng)按鍵沒(méi)釋放則執(zhí)行下一條對(duì)應(yīng)程序。利用連擊功能，能實(shí)現(xiàn)快速調(diào)時(shí)操作。單片及應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤(pán)掃描只是CPU的工作內(nèi)容之一。CPU忙于各項(xiàng)任務(wù)時(shí)，如何兼顧鍵盤(pán)的輸入，取決于鍵盤(pán)的工作方式?？紤]儀表系統(tǒng)中CPU任務(wù)的份量，來(lái)確定鍵盤(pán)的工作方式。鍵盤(pán)的工作方式選取的原則是：既要保證能及時(shí)響應(yīng)按鍵的操作，又不過(guò)多的占用CPU的工作時(shí)間。鍵盤(pán)的工作方式有：查詢方式（編程掃描，定時(shí)掃描方式）、中斷掃描方式。矩陣式鍵盤(pán)適用于按鍵數(shù)量較多的場(chǎng)合，由行線和列線組成，按鍵位于行列的交叉點(diǎn)上節(jié)省I/O口。按鍵電路如圖16圖5 按鍵電路（五）JTAG下載電路 JTAG是英文“Joint Test Action Group（聯(lián)合測(cè)試行為組織）”的詞頭字母的簡(jiǎn)寫(xiě)，該組織成立于1985 年，是由幾家主要的電子制造商發(fā)起制訂的PCB 和IC 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。JTAG 建議于1990 年被IEEE 測(cè)試訪問(wèn)端口和邊界掃描結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了進(jìn)行邊界掃描所需要的硬件和軟件。自從1990 年批準(zhǔn)后，IEEE 分別于1993 年和1995 年對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)作了補(bǔ)充， 。JTAG 主要應(yīng)用于：電路的邊界掃描測(cè)試和可編程芯片的在線系統(tǒng)編程。圖6 JTAG電路（六）LM3S6965介紹如圖18所示為L(zhǎng)M3S6965芯片的引腳圖圖7 AT89S52引腳圖Luminary Micro公司 Stellaris174。所提供一系列的微控制器是首款基于ARM174。 Cortex?M3的控制器，它們?yōu)閷?duì)成本尤其敏感的嵌入式微控制器應(yīng)用方案帶來(lái)了高性能的32位運(yùn)算能力。 這些具備領(lǐng)先技術(shù)的芯片使用戶能夠以傳統(tǒng)的8位和16位器件的價(jià)位來(lái)享受32位的性能，而且所有型號(hào)都是以小占位面積的封裝形式提供。該 Stellaris174。 系列芯片能夠提供高效的性能、廣泛的集成功能以及按照要求定位的選擇，適用于各種關(guān)注成本并明確要求具有的過(guò)程控制以及連接能力的應(yīng)用方案。 該Stellaris174。 LM3S1000 系列使用更大的片上存儲(chǔ)器、增強(qiáng)型電源管理和擴(kuò)展I/O以及控制功能來(lái)擴(kuò)展Stellaris174。家族。 該Stellaris174。LM3S2000 系列是針對(duì)控制器局域網(wǎng)（CAN）應(yīng)用方案而設(shè)計(jì)的一組芯片，它在Stellaris系列芯片的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了Bosch CAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)——短距離工業(yè)網(wǎng)絡(luò)里的黃金標(biāo)準(zhǔn)。 該Stellaris174。 LM3S2000系列芯片還標(biāo)志著先進(jìn)的CortexM3內(nèi)核和CAN能力的首次結(jié)合運(yùn)用。 該Stellaris174。 LM3S6000 系列芯片結(jié)合了10/100以太網(wǎng)媒體訪問(wèn)控制（MAC）以及物理層（PHY），標(biāo)志著ARM CortexM3 MCU已經(jīng)具備集成連接能力，還是唯一集成了10/10