【正文】 XXX 大學(xué) XXX 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) I 基于 CAN總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ——CAN總線通信實(shí)驗(yàn) 學(xué)生： 指導(dǎo)教師： 內(nèi)容提要 ： 以 CAN (Controller Area Network) 總線控制器 SJA1000 為核心 , 設(shè)計(jì)了一種通用的基于 CAN 總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) , 給出了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理、單個(gè)節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì) 。 重點(diǎn)闡述了 CAN 總線智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)與注意事項(xiàng)。 試驗(yàn)表明 , CAN 總線的多主結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)改型靈活 , 數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定 , 可靠性好 , 數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá) 1Mbit/s, 能滿足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)性要 求。CAN 總線的使用大大節(jié)約了連接導(dǎo)線、維護(hù)和安裝費(fèi)用 , 提高了系統(tǒng)的性價(jià)比 , 具有廣泛的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞 ： 數(shù)據(jù)采集 CAN 總線 現(xiàn)場(chǎng)總線 芯片 SJA 1000 XXX 大學(xué) XXX 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) II Design and realization of data acquisition system based on CAN bus—— CAN BUS uniostion experiment Abstract : One kind of current data acquisition system based on CAN (ControllerA reaN etwork) bus is designed its core design is CAN bus controller SJA1000. The principle of the data acquisition system and the software and hadware design of a single node are given . The main concerns are design, the realization and the rules of the intelligent node of CAN bus . The result of test shows three aspects of advantages . The multi master capabilities of CAN bus make the system resetmore smartly . The speed rate of data transmsion reaches 1M bit/s . The stability and good reliability of data transm ission can meet the real time need of the field . Dependability is good, and the field real time demand is satisfied . Meanw hile the expenses of connecting wires, maintenance and installation are decreased because of the use of CAN bus . It improves the price ration of the system. Thus it will be widely applied . Key words: data acquisition controller area work bus field bus controller SJA 1000 XXX 大學(xué) XXX 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) III 目 錄 一、引言 ............................................................... 1 二、 CAN 總線 ........................................................... 1 (一 )CAN 總線介紹 ........................................................ 1 (二 )CAN 協(xié)議 ............................................................ 1 三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ........................................................... 4 四、硬件設(shè)計(jì) ........................................................... 5 五、軟 件設(shè)計(jì) ........................................................... 6 （一）初始化子程序 ..................................................... 7 （二）發(fā)送子程序 ....................................................... 8 （三）查詢方式接收子程序 .............................................. 10 六、測(cè)試報(bào)告 .......................................................... 12 附錄 .................................................................. 15 參考文獻(xiàn) .............................................................. 36 XXX 大學(xué) XXX 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 一、引言 信息技術(shù)的飛速發(fā)展 ,引起了自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革 , 形成以網(wǎng)絡(luò)集成自動(dòng)化為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線順 應(yīng)這一形式發(fā)展 , 已成為當(dāng)前工業(yè)數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域中一個(gè)新熱點(diǎn) , 被廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制、智能家居、交通工具、環(huán)境監(jiān)測(cè)等眾多領(lǐng)域。 用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理 , 加入高級(jí)算法即可實(shí)現(xiàn)智能控制 , 因而減輕了上位機(jī)的負(fù)擔(dān)。 本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)了一個(gè)通用的基于 CAN 總線的數(shù)據(jù)采集卡 , 著重闡述了它的設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)。 二、 CAN總線 (一 )CAN 總線介紹 CAN 總線 (Cont roller Area Network 控制器局域網(wǎng) )是現(xiàn)場(chǎng)總線的一種。 它是德國(guó) Bosch 公司在 1986 年為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控 制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通訊總線。 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(shí)符過(guò)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)化了對(duì)數(shù)據(jù)安全性的關(guān)注 , 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 總線具有下列主要特性 : ? 多主站依據(jù)優(yōu)先權(quán)進(jìn)行總線訪問(wèn) 。 ? 非破壞性的基于優(yōu)先權(quán)的總線仲裁 。 ? 借助接收濾波的多地址幀傳送 。 ? 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求 。 ? 配置靈活 。 ? 全系統(tǒng)的數(shù)據(jù)相容性 。 ? 錯(cuò)誤檢測(cè)和出錯(cuò)信令 。 ? 發(fā)送期間若丟失仲裁或由于出錯(cuò)而遭破壞的幀可自動(dòng)重發(fā)送 。 ? 暫時(shí)錯(cuò)誤和永久性故障節(jié)點(diǎn)的判別以及故障節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)脫離 CAN 總線。 (二 )CAN 協(xié)議 數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議是指對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募s定 ,包括定時(shí) 、控制 、格式化和數(shù)據(jù)表示方法等等 。 XXX 大學(xué) XXX 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 分層結(jié)構(gòu)的協(xié)議 CAN 是一串行通訊協(xié)議 CAN 總線規(guī)范規(guī)定了任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的兼容性 ,包括電氣特性及數(shù)據(jù)解釋協(xié)議 ,為保證設(shè)計(jì)使用的透明性及使用的靈活性 ,CAN 協(xié)議分為如下幾層 :目標(biāo)層 、傳送層 、物理層 。 目標(biāo)層的功能范圍包括：信息識(shí)別、信息狀態(tài)及處理。 傳送層的功能范圍包括： 幀組織、總線仲裁、檢錯(cuò)、錯(cuò)誤報(bào)告、錯(cuò)誤處理。 物理層的功能范圍包括： 實(shí)際位傳送過(guò)程上的電氣特性。 網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議 總線控制器支持 4 種不同結(jié)構(gòu)的 CAN 協(xié)議幀類型： 數(shù)據(jù)幀用于節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸 遠(yuǎn)程幀：用于請(qǐng)求發(fā)送具有相同標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀 出錯(cuò)幀：用于指示檢測(cè)到的錯(cuò)誤狀態(tài) 過(guò)載幀：用于提供先前和后續(xù)數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀之間的附加延時(shí) 數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、出錯(cuò)幀、過(guò)載幀都按一定的格式進(jìn)行編碼 數(shù)據(jù)幀：由 7個(gè)不同的位場(chǎng)構(gòu)成 ,如 圖 1所示。 它們是：幀起始 、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、 CRC 場(chǎng) 、 ACK 場(chǎng)和幀結(jié)束； 遠(yuǎn)程幀：由 6個(gè)不同的位場(chǎng)構(gòu)成：幀起始 、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、 CRC 場(chǎng) 、 ACK 場(chǎng)、 幀結(jié)束 出錯(cuò)幀：由兩個(gè)不同的場(chǎng)構(gòu)成。第一個(gè)場(chǎng)由來(lái)自不同節(jié)點(diǎn)的錯(cuò)誤標(biāo)志疊加給出 ,后隨的第二個(gè)場(chǎng)為錯(cuò)誤定界符 超載幀：包括兩個(gè)位場(chǎng)、超載標(biāo)志和超載界定符。 數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀以幀間空間同先前幀隔開(kāi) ,幀編碼和發(fā)送 /接收。 圖 1 數(shù)據(jù)幀的構(gòu)成 幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)、序列幀段均以位填充方法進(jìn)行編碼 ,即在以送XXX 大學(xué) XXX 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 位流中檢測(cè)到 5個(gè)數(shù)值相同的時(shí)候 ,自動(dòng)插 人一個(gè)補(bǔ)碼位。數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀的其余位場(chǎng)、錯(cuò)誤幀、超載幀為固定格式 ,不使用位填充方法編碼 ,幀中的位流按照非歸零方法編碼。 發(fā)送時(shí)從其 SOF 場(chǎng)開(kāi)始逐個(gè)位場(chǎng)發(fā)送。對(duì)于發(fā)送器和接收器 ,一幀的有效點(diǎn)是不同的。 對(duì)于發(fā)送器 ,若在幀結(jié)束完成前不存在錯(cuò)誤 ,則該幀有效。 對(duì)于接收器 ,若在幀結(jié)束最后一位前不存在錯(cuò)誤 ,則該幀有效。 總線訪問(wèn)和仲裁： 當(dāng)檢測(cè)到間歇場(chǎng)未被 “顯性”位中斷后 ,認(rèn)為總線被所有節(jié)點(diǎn)釋放?？偩€被釋放后 , “錯(cuò)誤一激活”節(jié)點(diǎn)可以訪問(wèn)總線。當(dāng)許多節(jié)點(diǎn)一起開(kāi)始發(fā)送時(shí) ,只有發(fā)送具有最高優(yōu)先權(quán)的幀節(jié) 點(diǎn)變?yōu)榭偩€主機(jī) ,享有對(duì)總線的控制權(quán)。這種解決總線訪問(wèn)沖突的機(jī)理是基于競(jìng)爭(zhēng)的促裁 ,依據(jù)標(biāo)識(shí)符和緊隨其后的 RTR 位來(lái)完成。 錯(cuò)誤檢測(cè)： 在 CAN 中存在 5 類不同的錯(cuò)誤位錯(cuò)誤、填充錯(cuò)誤、 CRC 錯(cuò)誤、形式錯(cuò)誤、應(yīng)答錯(cuò)誤、 在網(wǎng)絡(luò)中的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn) ,根據(jù)其錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器的數(shù)值 ,可能處于下列 3種狀態(tài)之一： “錯(cuò)誤一激活”節(jié)點(diǎn)： 一個(gè)“錯(cuò)誤一激活”節(jié)點(diǎn)可以正常參與總線通信 ,并在檢測(cè)到錯(cuò)誤時(shí) ,發(fā)出一個(gè)激活錯(cuò)誤標(biāo)志。 “錯(cuò)誤一認(rèn)可”節(jié)點(diǎn)： 一個(gè)“錯(cuò)誤一認(rèn)可”節(jié)點(diǎn)不應(yīng)發(fā)送激活錯(cuò)誤標(biāo)志 ,它參與總線通信 ,但在檢測(cè)到錯(cuò)誤時(shí) ,發(fā)出一 個(gè)認(rèn)可錯(cuò)誤標(biāo)志。 “總線脫離”節(jié)點(diǎn)： 當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)由于請(qǐng)求故障界定實(shí)體而對(duì)總線處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí) ,其處于“總線脫離”狀態(tài)，在“總線脫離”狀態(tài)。 為了進(jìn)行錯(cuò)誤界定 ,在總線上的每一個(gè)單元中都設(shè)有兩種計(jì)數(shù)器：發(fā)送出錯(cuò)計(jì)數(shù)器和接收出錯(cuò)計(jì)數(shù)器 ,錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器的值按照一定的規(guī)則進(jìn)行修正。 當(dāng)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送計(jì)數(shù)器或接收計(jì)數(shù)器的值超過(guò) 127 時(shí) ,則監(jiān)控器要求置相應(yīng)節(jié)點(diǎn)為“錯(cuò)誤一認(rèn)可”狀態(tài) ,送出一個(gè)激活標(biāo)志。當(dāng)發(fā)送計(jì)數(shù)器或接收計(jì)數(shù)器的值均小于或等于 127 時(shí) , “錯(cuò)誤一認(rèn)可”節(jié)點(diǎn)再次變?yōu)? “錯(cuò)誤一激活” 。 當(dāng)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送計(jì)數(shù)器的值 超過(guò) 255 時(shí) ,則監(jiān)控器要求置相應(yīng)節(jié)點(diǎn)為“脫離總線”狀態(tài)。 處于“脫離總線”狀態(tài)的節(jié)點(diǎn) ,在監(jiān)測(cè)到總線上出現(xiàn) 128 次 11 個(gè)連續(xù)的“隱性”位 , XXX 大學(xué) XXX 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 變?yōu)閮蓚€(gè)錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器均為 0 的“錯(cuò)誤一激活”節(jié)點(diǎn)。 三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊組成 , 其中數(shù)據(jù)傳輸通過(guò) CAN (Controller Area Network) 總線來(lái)實(shí)現(xiàn)。 控制器局域網(wǎng) CAN 屬于現(xiàn)場(chǎng)總線范疇 , 它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)采用總線式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) , 其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。 圖 2 系 統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 選用 CAN 總線連接各節(jié)點(diǎn) , 形成多主控制器的局域網(wǎng)。 CAN 總線符合 ISO11898 標(biāo)準(zhǔn) , 最多可掛接 110個(gè)節(jié)點(diǎn) , 采用 CAN 總線特有的多主傳送方式 , 各采集控制器根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要 , 當(dāng)有數(shù)據(jù)時(shí)可自主發(fā)送 , 無(wú)需主機(jī)不停地輪巡 , 節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)流量 , 提高了傳輸效率。 CAN 總線傳輸介質(zhì)為雙絞線或同軸電纜 , 走線少、系統(tǒng)易擴(kuò)展、改型靈活 , 正是由于這些其他通信方式無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn) , 才使之成為系統(tǒng)分布比較分散的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的理想總線。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將由現(xiàn)場(chǎng)傳感器送來(lái)的數(shù)據(jù)發(fā)送到空閑的 CAN 總線上 , 而總線上各節(jié)點(diǎn)通過(guò)預(yù)先設(shè)置好的驗(yàn)收碼和驗(yàn)收屏蔽碼 , 來(lái)決定是否使用這個(gè)消息。 如果采集的數(shù)據(jù)需要進(jìn)一步進(jìn)行處理 , 則上位機(jī)可從總線上接收數(shù)據(jù)并對(duì)其處理。 處理后的數(shù)據(jù)再送回CAN 總線 , 經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊或其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制操作。 當(dāng)上位機(jī)需對(duì)某個(gè)節(jié)點(diǎn)施以控制時(shí) , 可采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式與該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊 。 而當(dāng)它需要