1 CAN總線技術(shù)介紹 　　

1．1 CAN總線特性 　　

CAN(Controller Area BOSCH公司為汽車的監(jiān)測,、控制系統(tǒng)而設計的,。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)過程中監(jiān)控設備的互連,，具體來說,，CAN具有如下特性： 　　

(1)CAN可以多主方式工作，網(wǎng)絡上任意一個節(jié)點均可以在任意時刻主動地向網(wǎng)絡上的其他節(jié)點發(fā)送信息,，而不分主從,，通信方式靈活； 　　

(2)CAN可以點對點,、點對多點(成組)及全局廣播方式傳送接收數(shù)據(jù),； 　　

(3)CAN網(wǎng)絡上的節(jié)點信息可分成不同的優(yōu)先級，可以滿足不同的實時要求,； 　　

(4)CAN采用非破壞性總線仲載技術(shù),。當兩個節(jié)點是向網(wǎng)絡上發(fā)送數(shù)據(jù)時,，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送,，而優(yōu)先級高的節(jié)點可以不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，大大節(jié)省了總線仲載沖突時間,，在網(wǎng)絡負載很重的情況下也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡癱瘓,； 　　

(5)CAN的直接通信距離最大可達10 km(速率小于5 Kb／s)，最高通信速率可達1 Mb／s,。

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,，不同之處為標識符域的長度不同，含有11位標識符的幀稱為標準幀,，而含有29位標識符的幀稱為擴展幀,。擴展格式是CAN 2．0B協(xié)議新增加的特性。在報文傳輸時,，不同的幀具有不同的傳輸結(jié)構(gòu),，只有嚴格按照該結(jié)構(gòu)進行幀的傳輸，才能被節(jié)點正確接收和發(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?。CAN協(xié)議有兩種數(shù)據(jù)幀類型標準2．0A和標準2．0B。兩者本質(zhì)的不同在于ID的長度不同,。在2．0A類型中,，ID的長度為11位,；在2．0B類型中，ID的長度為29位,。它由7個域組成：幀起始,、仲裁域、控制域,、數(shù)據(jù)域,、CRC校驗碼域、應答域,、幀結(jié)束,。

(2)遠程幀(Remote)：總線單元發(fā)出遠程幀，請求發(fā)送具有同一標識符的數(shù)據(jù)幀,。接收數(shù)據(jù)的節(jié)點可通過發(fā)遠程幀請求源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù),。它由6個域組成：幀起始、仲裁域,、控制域,、校驗域、應答域,、幀結(jié)束,。

(3)錯誤幀(Error)：任何單元檢測到總線錯誤就發(fā)出錯誤幀。由錯誤標志和錯誤分界兩個域組成,。接收節(jié)點發(fā)現(xiàn)總線上的報文有誤時,，將自動發(fā)出“活動錯誤標志”，其他節(jié)點檢測到活動錯誤標志后發(fā)送“錯誤認可標志”,。

(4)過載幀(Overload)：過載幀用在相鄰數(shù)據(jù)幀或遠程幀之間提供附加的延時,。由超載標志和超載分隔符組成。超載幀只能在一個幀結(jié)束后開始,。當接收方在接收下一幀之前,，需要過多的時間處理當前的數(shù)據(jù)，或在幀間空隙域檢測到顯性電平時,，則導致發(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)與處理器進行通信。該設計采用SJA1000控制器,。

SJA1000是一款獨立CAN控制器,，應用于移動目標和工業(yè)局域網(wǎng)控制領域。SJA1000具有兩種工作模式：BasicCAN和PeliCAN,。該設計采用PeliCAN工作模式,。SJA1000用來完成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序特性，如Intel模式或Motorola模式,，與微處理器的接口非常簡單,，微處理器以訪問外部存儲器的方式來訪問SJA1000。

SJA1000通過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，提供了對總線的差動發(fā)動和接收能力,，與ISO11898標準完全兼容,，有三種不同的工作方式即高速、斜率控制和待機,，可根據(jù)實際情況選擇,。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,，保護總線,，降低干擾等。

2 系統(tǒng)設計 　　

2．1 系統(tǒng)方案設計 　　

根據(jù)通用計算機的總線分類,，可采用基于ISA總線對多通道實時CAN總線模擬器" title="CAN總線模擬器">CAN總線模擬器進行研制,，根據(jù)CAN總線通信原理可以提出以下兩種設計方案： 　　

(1)ISA總線+CAN通信控制器； 　　

(2)ISA總線+微處理器+CAN通信控制器,。這兩種設計方案的不同點在于是否采用處理器來加強控制,。

由于CAN總線通信要求實時性高，再加上多通道的設計滿足實際的需要,，故采用單片機來負責CAN總線的通信功能,。在這里主要介紹單片機與CAN控制器之間的設計部分，其系統(tǒng)設計框圖如圖1所示,。

單片機選用DALLAS公司的DS89C430,，它是當前8051兼容微控制器中性能最高的,。具有重新設計的處理器內(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),，每個機器周期一個時鐘；片內(nèi)存儲器16 KB／32 KB／64 KB閃存,，在應用可編程,，通過串口實現(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16位定時器／計數(shù)器；256 B暫存RAM等特點,?？筛鶕?jù)實際應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,，其應用領域不斷擴大,，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，增強系統(tǒng)可靠性,。因此,，單片機與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)硬件設計 　　

該部分由單片機,、CAN控制器,、CAN收發(fā)器、SRAM存儲器組成,。單片機主要用于系統(tǒng)計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)器主要用于增強系統(tǒng)的驅(qū)動能力,；SRAM主要用于緩存數(shù)據(jù),。系統(tǒng)的發(fā)送過程是：單片機將外圍設備傳送過來的信息處理后，按CAN規(guī)范規(guī)定的格式,，將其寫入CAN控制器的發(fā)送緩沖區(qū),，并啟動發(fā)送命令，把數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上,；接收過程是：CAN控制器從CAN總線上自動接收數(shù)據(jù),，并經(jīng)過濾后存入CAN接收緩沖區(qū)，且向單片機發(fā)出中斷請求,，此時單片機可從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-p.htm" target="_blank" title="MOTOROLA貨源和PDF資料">MOTOROLA地址數(shù)據(jù)多路復用總線模式。主要信號有地址數(shù)據(jù)信號AD7～AD0,，地址選通信號ALE,，片選信號CS，讀信號RD,，寫信號WR,，模式選擇信號MODE,。當MODE=1時，為INTEL模式,；當MODE=0時,，為MOTOROLA-p.htm" target="_blank" title="MOTOROLA貨源和PDF資料">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,，傳送的是地址信號，在RD或WR有效時,，傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)信號,，在這里分別與單片機的PO口相連，RD,，WR信號線分別與單片機的讀／寫信號線相連,。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,。由于單片機可以查詢或中斷方式訪問,，在此采用中斷方式進行CAN多通道選擇訪問，以滿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)線是分開的,，故采用74LS373鎖存器實現(xiàn)鎖存功能?？刹捎肵C95144CPLD芯片以及VHDL硬件描述語言以實現(xiàn)鎖存,、譯碼等功能。

2．3 CPLD設計部分 　　

2．3．1 結(jié)構(gòu)設計 　　

CPLD的輸入信號是單片機發(fā)送的信號,，由高位地址A[15．．8],、ALE鎖存信號、中斷信號以及寫／讀信號組成,。地址線A14和A15經(jīng)譯碼后作為片選信號,，ALE實現(xiàn)低8位地址線的鎖存。實體和構(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工具下進行綜合,，并在結(jié)合ModelSim環(huán)境下進行功能仿真,。其仿真結(jié)果如圖3所示,。

3 軟件設計 　　

該系統(tǒng)軟件設計的關鍵是通信程序設計,。通信軟件由三部分組成：單片機和CAN控制器的初始化程序、CAN發(fā)送程序,、CAN接收程序,。對于初始化程序,，采用MAX232芯片對單片機進行在線編程，可同時對多通道CAN控制器初始化,。對于CAN控制器的初始化程序,，主要是通過對CAN控制器控制段中的寄存器寫入控制字，從而確定CAN控制器的工作方式等,，即通過上電復位,、硬件復位或軟件復位給CAN控制器發(fā)一個復位請求，便可進入初始化,。在復位期間,，對必需的寄存器進行設置。對于發(fā)送和接受程序,，只需把到來的信息幀送到CAN的發(fā)送或接受緩沖區(qū),，同時啟動命令即可。二者可采用查詢方式或中斷方式,，對于中斷方式,，程序分為主程序和中斷服務程序兩部分設計。在具體項目中,，需要軟硬件結(jié)合調(diào)試才能保證各部分的設計準確無誤,，到達實際應用的要求。

4 結(jié) 語 　　

在對CAN通信協(xié)議進行分析的基礎上,，構(gòu)建了一種多通道實時CAN總線模擬器架構(gòu),，同時利用CPLD器件，通過功能仿真,，驗證了設計方案的正確性,。經(jīng)實際工程項目使用，驗證了該設計方案切實可行,，滿足了實際應用中高可靠性,、高實時性以及傳輸速率較高的需求。