【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)出新一代的汽車總線即控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，簡稱：CAN 總線或 CANbus），CAN 總線具有布線簡單、典型的總線型結(jié)構(gòu)、可最大限度的節(jié)約布線與維護成本、穩(wěn)定可靠、實時、抗干擾能力強、傳輸距離遠等特點，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。在自動化儀表、工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場、數(shù)控機床等系統(tǒng)中也越來越多的使用了 CAN 總線，CAN 總線在未來的發(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)都是獨立的網(wǎng)絡(luò)，所以沒有網(wǎng)絡(luò)層。在實際使用中，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)計采用的協(xié)議時CANopen。（二）概述 控制器局部網(wǎng)（CAN－CONTROLLER AREA NETWORK）是BOSCH公司為現(xiàn)代汽車應(yīng)用領(lǐng)先推出的一種多主機局部網(wǎng)，由于其高性能、高可靠性、實時性等優(yōu)點現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、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?？刂破骶植烤W(wǎng)將在我國迅速普及推廣。 隨著計算機硬件、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)已成為計算機技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中最具活力的一個分支，并取得了巨大進步。由于對系統(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，即負載分散、功能分散、危險分散和地域分散。 分散式工業(yè)控制系統(tǒng)就是為適應(yīng)這種需要而發(fā)展起來的。這類系統(tǒng)是以微型機為核心，將 5C技術(shù)COMPUTER（計算機技術(shù)）、CONTROL（自動控制技術(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、可擴展性、可維護性以及抗故障能力等方面，較之分散型儀表控制系統(tǒng)和集中型計算機控制系統(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)場設(shè)備、接口與計算設(shè)備以及通信設(shè)備組成。現(xiàn)場總線（FIELDBUS）能同時滿足過程控制和制造業(yè)自動化的需要，因而現(xiàn)場總線已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域中最為活躍的一個領(lǐng)域。現(xiàn)場總線的研究與應(yīng)用已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域的熱點。盡管目前對現(xiàn)場總線的研究尚未能提出一個完善的標(biāo)準(zhǔn)，但現(xiàn)場總線的高性能價格比將吸引眾多工業(yè)控制系統(tǒng)采用。同時，正由于現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，也使得現(xiàn)場總線的應(yīng)用得以不拘一格地發(fā)揮，并將為現(xiàn)場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)運而生的。 由于CAN為愈來愈多不同領(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載工具數(shù)字信息交換高速通信控制器局部網(wǎng)（CAN）國際標(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（一） 方案論證方案一：單片機AT89C51屬標(biāo)準(zhǔn)型，芯片價格低廉，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極大方便，而且避免了外部ROM擴展，降低了節(jié)點成 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的CAN 控制器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖2。片內(nèi)含信息緩沖、位流處 理、位定時邏輯、接收濾波、錯誤管理邏輯等電路，并配置有豐富的功能寄存器?？赏瓿蓴?shù)據(jù)成幀、總線填充、 錯誤檢測、總線仲裁及錯誤界定處理等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 位計算引入到對價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入市場，包括用戶開發(fā)板、白皮書和應(yīng)用手冊，以及強大的支持、銷售和分銷商網(wǎng)絡(luò)。所以，我們這里就采用M3來實現(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)計外圍電路包括：電源電路、溫度采集、時鐘電路、存儲電路、報警電路、模擬控制電路、按鍵電路、顯示電路以及串口等電路。下面將依次對各個模塊進行說明。（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碾妷褐怠＝涣麟娊?jīng)過二極管整流之后，方向單一了，但是電流強度大小還是處在不斷地變化之中。這種脈動直流一般是不能直接用來給集成電路供電的，而要通過整流電路將交流電變成脈動的直流電壓。由于此脈動的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾除，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，一般有%左右的波動，負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，負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。220V交流電通過9V變壓器變?yōu)?V的交流電，9V交流電通過四個二極管的全橋整流后變?yōu)?V直流電，然后經(jīng)過電解電容（470μF）進行一級濾波，以去除直流電里面的雜波，防止干擾。9V直流電出來后再經(jīng)過三端穩(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直流電源負極，Vout為輸出腳，它和接地腳的電壓就是+5V了。5V電源出來再經(jīng)過電解電容的二級濾波，使5V電源更加穩(wěn)定可靠。同時在5V穩(wěn)壓電源加上一個10K的電阻和一個紅色發(fā)光二極管，當(dāng)上電后，紅色發(fā)光二極管點亮，表示電源工作正常。此時一個穩(wěn)定輸出5V的電源已經(jīng)設(shè)計好，對于本設(shè)計它完全能夠滿足單片機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)位是單片機的初始化操作，其主要功能是把PC初始化為0000H,使單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序，并使其它功能單元處于一個確定的初始狀態(tài)。本復(fù)位電路采用的是按鍵復(fù)位，它是通過復(fù)位端經(jīng)電阻與VCC電源接通而實現(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)位信號持續(xù)時間應(yīng)當(dāng)超過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)采用的是獨立式鍵盤結(jié)構(gòu)，每個按鍵單獨占用一根I/O口線，每個按鍵的工作不會影響其它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，則可確認該I/O口線所對應(yīng)的按鍵已按下，然后，再轉(zhuǎn)向該鍵的功能處理程序。鍵盤是人與微機打交道的主要設(shè)備，按鍵的讀取容易引起誤動作?？刹捎密浖ザ秳拥姆椒ㄌ幚?，軟件的觸點在閉合和斷開的時候會產(chǎn)生抖動，這時觸點的邏輯電平是不穩(wěn)定的，如不采取妥善處理的話，將引起按鍵命令錯誤或重復(fù)執(zhí)行，在這里采用軟件延時的方法來避開抖動，延時時間20ms。按下某鍵時，對應(yīng)的功能鍵解釋程序得到執(zhí)行，如操作者沒有釋放按鍵，則對應(yīng)的功能會反復(fù)執(zhí)行，好象連續(xù)執(zhí)行，在這里我們采用軟件延時250ms，當(dāng)按鍵沒釋放則執(zhí)行下一條對應(yīng)程序。利用連擊功能，能實現(xiàn)快速調(diào)時操作。單片及應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤掃描只是CPU的工作內(nèi)容之一。CPU忙于各項任務(wù)時，如何兼顧鍵盤的輸入，取決于鍵盤的工作方式?？紤]儀表系統(tǒng)中CPU任務(wù)的份量，來確定鍵盤的工作方式。鍵盤的工作方式選取的原則是：既要保證能及時響應(yīng)按鍵的操作，又不過多的占用CPU的工作時間。鍵盤的工作方式有：查詢方式（編程掃描，定時掃描方式）、中斷掃描方式。矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的場合，由行線和列線組成，按鍵位于行列的交叉點上節(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)合測試行為組織）”的詞頭字母的簡寫，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 測試標(biāo)準(zhǔn)。JTAG 建議于1990 年被IEEE 測試訪問端口和邊界掃描結(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 年對該標(biāo)準(zhǔn)作了補充， 。JTAG 主要應(yīng)用于：電路的邊界掃描測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LM3S6965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Τ杀居绕涿舾械那度胧轿⒖刂破鲬?yīng)用方案帶來了高性能的32位運算能力。 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位器件的價位來享受32位的性能，而且所有型號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器、增強型電源管理和擴展I/O以及控制功能來擴展Stellaris174。家族。 該Stellaris174。LM3S2000 系列是針對控制器局域網(wǎng)（CAN）應(yīng)用方案而設(shè)計的一組芯片，它在Stellaris系列芯片的基礎(chǔ)上擴展了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)志著先進的CortexM3內(nèi)核和CAN能力的首次結(jié)合運用。 該Stellaris174。 LM3S6000 系列芯片結(jié)合了10/100以太網(wǎng)媒體訪問控制（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