CAN總線與一般的串行通信總線相比,，它的數(shù)據(jù)通信具有可靠性高，實(shí)時(shí)性高,，靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),，不僅廣泛應(yīng)用于汽車(chē)行業(yè)，而且擴(kuò)展到了機(jī)械工業(yè),、機(jī)器人,、數(shù)控機(jī)床等諸多領(lǐng)域。尤其在大量數(shù)據(jù)通信處理中,，高可靠性及實(shí)時(shí)響應(yīng)的場(chǎng)合,，單通道CAN總線不能滿(mǎn)足實(shí)際通信的要求。為此，介紹一種基于多通道實(shí)時(shí)CAN模擬器的設(shè)計(jì)方案,。
1 CAN總線技術(shù)介紹
1.1 CAN總線特性
CAN(Controller Area Network)總線是一種串行多主站控制器局域網(wǎng)總線,。它具有很高的網(wǎng)絡(luò)安全性、通信可靠性和實(shí)時(shí)性,，并且簡(jiǎn)單實(shí)用,，網(wǎng)絡(luò)成本低。它主要用于各種過(guò)程監(jiān)測(cè)及控制的一種網(wǎng)絡(luò),。CAN最初是由德國(guó)BOSCH公司為汽車(chē)的監(jiān)測(cè),、控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。由于CAN總線具有卓越的特性和極高的可靠性,，特別適合于工業(yè)過(guò)程中監(jiān)控設(shè)備的互連,。
1.2 CAN通信協(xié)議
在CAN 2.0B的版本協(xié)議中有兩種不同的幀格式，不同之處為標(biāo)識(shí)符域的長(zhǎng)度不同,，含有11位標(biāo)識(shí)符的幀稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)幀,，而含有29位標(biāo)識(shí)符的幀稱(chēng)為擴(kuò)展幀。擴(kuò)展格式是CAN 2.0B協(xié)議新增加的特性,。在報(bào)文傳輸時(shí),，不同的幀具有不同的傳輸結(jié)構(gòu)，只有嚴(yán)格按照該結(jié)構(gòu)進(jìn)行幀的傳輸,，才能被節(jié)點(diǎn)正確接收和發(fā)送,。下面將分別介紹四種傳輸幀的結(jié)構(gòu)：
(1)數(shù)據(jù)幀(Data)：數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)從發(fā)送器傳輸?shù)浇邮掌鳌AN協(xié)議有兩種數(shù)據(jù)幀類(lèi)型標(biāo)準(zhǔn)2.0A和標(biāo)準(zhǔn)2.0B,。兩者本質(zhì)的不同在于ID的長(zhǎng)度不同,。在2.0A類(lèi)型中，ID的長(zhǎng)度為11位;在2.0B類(lèi)型中,，ID的長(zhǎng)度為29位,。它由7個(gè)域組成：幀起始、仲裁域,、控制域,、數(shù)據(jù)域、CRC校驗(yàn)碼域,、應(yīng)答域,、幀結(jié)束。
(2)遠(yuǎn)程幀(Remote)：總線單元發(fā)出遠(yuǎn)程幀,，請(qǐng)求發(fā)送具有同一標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀,。接收數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)可通過(guò)發(fā)遠(yuǎn)程幀請(qǐng)求源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。它由6個(gè)域組成：幀起始,、仲裁域,、控制域,、校驗(yàn)域、應(yīng)答域,、幀結(jié)束,。
(3)錯(cuò)誤幀(Error)：任何單元檢測(cè)到總線錯(cuò)誤就發(fā)出錯(cuò)誤幀。由錯(cuò)誤標(biāo)志和錯(cuò)誤分界兩個(gè)域組成,。接收節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)總線上的報(bào)文有誤時(shí)，將自動(dòng)發(fā)出“活動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志”,，其他節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到活動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志后發(fā)送“錯(cuò)誤認(rèn)可標(biāo)志”,。
(4)過(guò)載幀(Overload)：過(guò)載幀用在相鄰數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀之間提供附加的延時(shí)。由超載標(biāo)志和超載分隔符組成,。超載幀只能在一個(gè)幀結(jié)束后開(kāi)始,。當(dāng)接收方在接收下一幀之前，需要過(guò)多的時(shí)間處理當(dāng)前的數(shù)據(jù),，或在幀間空隙域檢測(cè)到顯性電平時(shí),，則導(dǎo)致發(fā)送超載幀。
1.3 CAN協(xié)議控制器
目前主流的CAN協(xié)議控制器一般采用I/O總線(SJA1000等)或SPI接口(M(2P2515等)與處理器進(jìn)行通信,。該設(shè)計(jì)采用SJA1000控制器,。
SJA1000是一款獨(dú)立CAN控制器，應(yīng)用于移動(dòng)目標(biāo)和工業(yè)局域網(wǎng)控制領(lǐng)域,。SJA1000具有兩種工作模式：BasicCAN和PeliCAN,。該設(shè)計(jì)采用PeliCAN工作模式。SJA1000用來(lái)完成CAN協(xié)議所規(guī)定的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能,，它可以支持多種處理器的時(shí)序特性,，如Intel模式或Motorola模式，與微處理器的接口非常簡(jiǎn)單,，微處理器以訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器的方式來(lái)訪問(wèn)SJA1000,。
SJA1000通過(guò)CAN控制器接口即PCA82C250芯片接到CAN總線上。CAN收發(fā)器使用飛利浦公司的PCA82C250,，它是連接CAN控制器和物理總線之間的接口,，提供了對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)動(dòng)和接收能力，與ISO11898標(biāo)準(zhǔn)完全兼容,，有三種不同的工作方式即高速,、斜率控制和待機(jī)，可根據(jù)實(shí)際情況選擇,。硬件電路中使用PCA82C250是為了增加通信距離,，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護(hù)總線,，降低干擾等,。2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
根據(jù)通用計(jì)算機(jī)的總線分類(lèi)，可采用基于ISA總線對(duì)多通道實(shí)時(shí)CAN總線模擬器進(jìn)行研制，根據(jù)CAN總線通信原理可以提出以下兩種設(shè)計(jì)方案：
(1)ISA總線+CAN通信控制器;
(2)ISA總線+微處理器+CAN通信控制器,。這兩種設(shè)計(jì)方案的不同點(diǎn)在于是否采用處理器來(lái)加強(qiáng)控制,。
由于CAN總線通信要求實(shí)時(shí)性高，再加上多通道的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足實(shí)際的需要,，故采用單片機(jī)來(lái)負(fù)責(zé)CAN總線的通信功能,。在這里主要介紹單片機(jī)與CAN控制器之間的設(shè)計(jì)部分，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示,。
單片機(jī)選用DALLAS公司的DS89C430,，它是當(dāng)前8051兼容微控制器中性能最高的。具有重新設(shè)計(jì)的處理器內(nèi)核,，在相同的晶振頻率下,，執(zhí)行指令的速度是最初8051微處理器的12倍。特性：高速8051架構(gòu),，每個(gè)機(jī)器周期一個(gè)時(shí)鐘;片內(nèi)存儲(chǔ)器16 KB/32 KB/64 KB閃存,，在應(yīng)用可編程，通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)可編程;與8051引腳和指令集兼容;四路雙向,、8位I/O端口;三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器;256 B暫存RAM等特點(diǎn),。可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要選擇其部分功能,。隨著可編程邏輯器件的飛速發(fā)展,，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，可用于譯碼,、解碼等方面,，使用CPLD可以提高系統(tǒng)集成度，降低噪聲,，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性,。因此，單片機(jī)與CAN控制器之間的鎖存,、譯碼采用Xilinx公司XC95144CPLD芯片,，優(yōu)化了系統(tǒng)資源，降低了其功耗,。
2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
該部分由單片機(jī),、CAN控制器、CAN收發(fā)器,、SRAM存儲(chǔ)器組成,。單片機(jī)主要用于系統(tǒng)計(jì)算及信息處理等功能;CAN控制器主要用于系統(tǒng)通信;CAN收發(fā)器主要用于增強(qiáng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能力;SRAM主要用于緩存數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的發(fā)送過(guò)程是：?jiǎn)纹瑱C(jī)將外圍設(shè)備傳送過(guò)來(lái)的信息處理后,，按CAN規(guī)范規(guī)定的格式,，將其寫(xiě)入CAN控制器的發(fā)送緩沖區(qū),，并啟動(dòng)發(fā)送命令，把數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上;接收過(guò)程是：CAN控制器從CAN總線上自動(dòng)接收數(shù)據(jù),，并經(jīng)過(guò)濾后存入CAN接收緩沖區(qū),，且向單片機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求，此時(shí)單片機(jī)可從CAN接收緩沖區(qū)讀取要接收的數(shù)據(jù),。SJA1000提供的微處理器接口方式為典型INTEL或MOTOROLA地址數(shù)據(jù)多路復(fù)用總線模式,。主要信號(hào)有地址數(shù)據(jù)信號(hào)AD7～AD0，地址選通信號(hào)ALE,，片選信號(hào)CS,，讀信號(hào)RD，寫(xiě)信號(hào)WR,，模式選擇信號(hào)MODE。當(dāng)MODE=1時(shí),，為INTEL模式;當(dāng)MODE=0時(shí),，為MOTOROLA模式。后面描述的總線模式均為INTEL模式,。AD7～AD0引腳在ALE有效時(shí),，傳送的是地址信號(hào)，在RD或WR有效時(shí),，傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)信號(hào),，在這里分別與單片機(jī)的PO口相連，RD,，WR信號(hào)線分別與單片機(jī)的讀/寫(xiě)信號(hào)線相連,。具體方案如圖2所示。限于篇幅限制,，虛線內(nèi)給出1路CAN的連接圖,，2路CAN有同樣的連接方法。
SRAM和CAN控制器的片選信號(hào),。由于單片機(jī)可以查詢(xún)或中斷方式訪問(wèn),，在此采用中斷方式進(jìn)行CAN多通道選擇訪問(wèn)，以滿(mǎn)足不同通信速率下數(shù)據(jù)處理的需要,。SRAM的地址線與數(shù)據(jù)線是分開(kāi)的,，故采用74LS373鎖存器實(shí)現(xiàn)鎖存功能?？刹捎肵C95144CPLD芯片以及VHDL硬件描述語(yǔ)言以實(shí)現(xiàn)鎖存,、譯碼等功能。
2.3 CPLD設(shè)計(jì)部分
2.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
CPLD的輸入信號(hào)是單片機(jī)發(fā)送的信號(hào),，由高位地址A[15..8],、ALE鎖存信號(hào),、中斷信號(hào)以及寫(xiě)/讀信號(hào)組成。地址線A14和A15經(jīng)譯碼后作為片選信號(hào),，ALE實(shí)現(xiàn)低8位地址線的鎖存,。實(shí)體和構(gòu)造體部分代碼如下所示：
2.3.2 仿真結(jié)果
該模塊在Xilinx ISE 9.1工具下進(jìn)行綜合，并在結(jié)合ModelSim環(huán)境下進(jìn)行功能仿真,。其仿真結(jié)果如圖3所示,。
3 軟件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是通信程序設(shè)計(jì)。通信軟件由三部分組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)和CAN控制器的初始化程序,、CAN發(fā)送程序,、CAN接收程序。對(duì)于初始化程序,，采用MAX232芯片對(duì)單片機(jī)進(jìn)行在線編程,，可同時(shí)對(duì)多通道CAN控制器初始化。對(duì)于CAN控制器的初始化程序,，主要是通過(guò)對(duì)CAN控制器控制段中的寄存器寫(xiě)入控制字,，從而確定CAN控制器的工作方式等，即通過(guò)上電復(fù)位,、硬件復(fù)位或軟件復(fù)位給CAN控制器發(fā)一個(gè)復(fù)位請(qǐng)求,，便可進(jìn)入初始化。在復(fù)位期間,，對(duì)必需的寄存器進(jìn)行設(shè)置,。對(duì)于發(fā)送和接受程序，只需把到來(lái)的信息幀送到CAN的發(fā)送或接受緩沖區(qū),，同時(shí)啟動(dòng)命令即可,。二者可采用查詢(xún)方式或中斷方式，對(duì)于中斷方式,，程序分為主程序和中斷服務(wù)程序兩部分設(shè)計(jì),。在具體項(xiàng)目中，需要軟硬件結(jié)合調(diào)試才能保證各部分的設(shè)計(jì)準(zhǔn)確無(wú)誤,，到達(dá)實(shí)際應(yīng)用的要求,。
4 結(jié) 語(yǔ)
在對(duì)CAN通信協(xié)議進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一種多通道實(shí)時(shí)CAN總線模擬器架構(gòu),，同時(shí)利用CPLD器件,，通過(guò)功能仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的正確性,。經(jīng)實(shí)際工程項(xiàng)目使用,，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行，滿(mǎn)足了實(shí)際應(yīng)用中高可靠性,、高實(shí)時(shí)性以及傳輸速率較高的需求,。