1 引言
CAN(Controller Area Network)，即控制器局域網(wǎng),，是應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一,，CAN總線以其實時性強，可靠性高,，結(jié)構(gòu)簡單,，互操作性好，價格低廉等優(yōu)點,，可應(yīng)用于高速網(wǎng)絡(luò)和低成本的線路網(wǎng)絡(luò),。這里提出一種CAN總線隔離器的通訊系統(tǒng)，將其應(yīng)用于某飛行器到地面的通訊網(wǎng)絡(luò),，實現(xiàn)飛行器和地面的速度隔離,，從而使飛行器和地面之間能夠穩(wěn)定實時通信。該系統(tǒng)設(shè)計在分析CAN總線2．0B協(xié)議的基礎(chǔ)上,，采用結(jié)構(gòu)化方法獨立設(shè)計飛行器和地面雙方的通信協(xié)議。底層模塊的硬件設(shè)計是以C8051F040高速型單片機為核心,，其內(nèi)部集成CAN協(xié)議控制器,，因而只需增加CAN收發(fā)器就可實現(xiàn)CAN智能節(jié)點設(shè)計，比傳統(tǒng)的由單片機與CAN 協(xié)議控制器共同組成的CAN節(jié)點更簡單,，可靠,，易操作。而CAN總線應(yīng)用層協(xié)議由用戶自行定義編寫,，使其更符合該系統(tǒng)設(shè)計要求,。目前整個系統(tǒng)運行良好，性能穩(wěn)定，通信冗余度好,，符合工業(yè)現(xiàn)場使用要求,。
2 基于C8051F040的CAN智能節(jié)點設(shè)計
圖1是基于C8051F040的CAN總線硬件接口原理電路圖。通過C8051F040內(nèi)部所集成的CAN控制器,，為了增強系統(tǒng)的抗十擾能力,，在CAN控制器與TJA1040之間接入光電耦合器6N137，從而實現(xiàn)TJA1040與外界CAN通信,。事實上,，集成收發(fā)器TJA1040本身具有瞬間抗干擾能力，可保護總線,，降低射頻干擾,，以實現(xiàn)熱保護功能。因此,，在干擾不嚴重的廊用場合,，無需增加光電隔離，使得系統(tǒng)達到最大通信速率或距離,。如果使用光電隔離器,，應(yīng)盡量選用高速光電隔離器，以減少CAN總線有效回路信號傳輸?shù)难訒r時間,。由于CAN隔離器需通過CAN總線采集輸入輸出模塊的數(shù)據(jù)信息,，干擾較大，為了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性,，需加光電隔離器,。通過CAN2．0B兼容CAN2．0A協(xié)議的連接通訊測試，光電耦合器6N137上升時間為30 ns(典型值),，隔離電壓為3 000 V,，其支持最大頻率值超過30 MHz。
為實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性,，該系統(tǒng)設(shè)計采用冗余設(shè)計,，利用雙通道光耦HCPL2631隔離并產(chǎn)生控制信號，控制兩個單刀雙擲開關(guān)MAX4635,，從而實現(xiàn)CAN智能節(jié)點的切換,。
3 CAN總線隔離器設(shè)計
該系統(tǒng)設(shè)計的CAN總線隔離主要由發(fā)送和接收兩部分組成。發(fā)送和接收部分都由數(shù)據(jù)指令配置,、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸3個單元組成,，如圖2所示。其中發(fā)送部分：上位機指令配置完后,，通過FPGA傳輸給單片機,，單片機利用自身所帶的CAN總線，經(jīng)隔離處理后到達總線驅(qū)動器，然后通過CAN總線輸出數(shù)據(jù),。而接收部分正好相反,。該系統(tǒng)設(shè)計將飛行器速度設(shè)置為500 kHz，地面速度設(shè)置為50 km／s,，從而更好模擬飛行器和地面的通信,。
4 隔離器收發(fā)雙方通信協(xié)議
總線隔離器分為飛行器高速接口和地面低速接口兩部分，要求隔離器能通過所有地面上行到飛行器的數(shù)據(jù),。本系統(tǒng)CAN總線采用主從方式,，所有總線數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用數(shù)據(jù)幀，不用遠程幀,，數(shù)據(jù)長度最大為8字節(jié),，最小為0字節(jié)。根據(jù)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議,，仲裁場標準標識符共11位(ID1O~ID0),，系統(tǒng)通過標識符確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先級。本協(xié)議規(guī)定,，ID除表示優(yōu)先級外,，還是數(shù)據(jù)接收目的節(jié)點、數(shù)據(jù)發(fā)送源節(jié)點與數(shù)據(jù)類型,。具體說明11位ID：ID[1](ID的0～3位)為數(shù)據(jù)接收目的節(jié)點,；ID[2](ID的4~7位)為數(shù)據(jù)發(fā)送的源節(jié)點；ID[3](ID的8~10位)為數(shù)據(jù)類型,。
本協(xié)議中,，飛行器系統(tǒng)和地面系統(tǒng)都有3個節(jié)點，節(jié)點編號和ID號如表1所示,。
5 CAN隔離器的軟件設(shè)計
5．1 CAN總線初始化
CAN總線初始化包括：I／O的配置,、外部晶體振蕩器的配置、CAN總線的開閉,、發(fā)送和接收初始化,。初始化程序如下：
void initial_can(unsigned char MsgNum，unsignedl int id)
{SFRPAGE=CONFIG_PAGE,；
5．2 發(fā)送和接收程序
CAN報文發(fā)送是由CAN控制器自動完成,，用戶只需根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)幀的識別符，將對應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到發(fā)送緩沖寄存器,，然后將此報文對象的編碼寫入命令請求寄存器啟動發(fā)送即可，而發(fā)送由硬件完成,。這里使用定時更新發(fā)送報文對象中的數(shù)據(jù),，發(fā)送數(shù)據(jù)由控制器自動完成，當收到一個數(shù)據(jù)幀時，可將具有相同識別符的數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去,。其發(fā)送程序代碼如下：
CAN報文的接收與發(fā)送相同,，由CAN控制器自動完成，接收程序只需從接收緩存器中讀取所接收的數(shù)據(jù),，再進行相應(yīng)處理,。其方法與發(fā)送程序基本一致，這里不再贅述,。
6 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計分析
6．1 冗余設(shè)計
工業(yè)控制現(xiàn)場狀況復(fù)雜,，因外力所致的電纜接觸故障率遠遠高于節(jié)點的故障率，一旦電纜發(fā)生故障,，總線就會失去通信能力,，并導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，對工控系統(tǒng)的健壯性構(gòu)成威脅,。解決這一故障最簡單,、有效的辦法是對故障率較高的物理介質(zhì)進行冗余設(shè)計。即使用2條總線電纜,、2個CAN總線收發(fā)器,，但只用1個總線控制器。仲裁電路自動監(jiān)測總線狀態(tài),，并自適應(yīng)選擇正常的電纜完成通信任務(wù),。發(fā)生電纜故障時，設(shè)備自動報警,，提醒工作人員進行檢修,。檢修過程中，設(shè)備使用備用電纜繼續(xù)工作,。電纜冗余設(shè)計可實現(xiàn)與通常的CAN總線通訊系統(tǒng)代碼級兼容,。仲裁電路設(shè)置于總線控制器與2個總線收發(fā)器之間，監(jiān)測CAN總線電纜狀態(tài),，實現(xiàn)自適應(yīng)切換和報警,。設(shè)備向其他節(jié)點發(fā)送報文時，總線控制器向2條總線同時發(fā)送相同的報文,；而接收報文時,，仲裁電路在無電纜故障時，一直使用總線1(主總線)進行報文接收,。如果總線2(從總線)出現(xiàn)故障,，故障監(jiān)測電路就向主控計算機發(fā)出中斷信號報故障，同時處于正常狀態(tài)的總線1仍承擔(dān)正常通訊任務(wù),；如果總線1出現(xiàn)故障,，故障監(jiān)測電路在向主控計算機發(fā)出中斷信號的同時,，自動切換成總線2，以保證設(shè)備正常工作,?？偩€切換動作只會出現(xiàn)在正在使用的電纜發(fā)生故障時，這樣可提高通訊的穩(wěn)定性,，降低應(yīng)答失敗的幾率,。
6．2 接收數(shù)據(jù)時ID不濾波的實現(xiàn)
在CAN總線的接收過程中，一般實現(xiàn)的都是發(fā)送ID和接收ID相匹配的方式,，也就是說在接收方要進行接收,，而ID濾波，而本設(shè)計實現(xiàn)任意接收方式,，只要有數(shù)據(jù)就開始接收不進行ID號的濾波,，這樣可更好進行測試，例如某個設(shè)備所攜帶的ID號,，由于各種原因與接收方所接收的ID不匹配,，這樣就可判斷出所發(fā)設(shè)備可能收到干擾，或者所發(fā)設(shè)備自身出現(xiàn)了問題,。這種ID號不過濾的方法主要通過對接收設(shè)備的命令請求寄存器,、消息掩碼寄存器、仲裁寄存器,、消息控制寄存器和命令掩碼寄存器的設(shè)置來實現(xiàn),。其實現(xiàn)程序如下：
7 結(jié)論
本文提出一種CAN總線隔離器的實現(xiàn)方案。利用具有CAN總線控制器的C8051F系列單片機實現(xiàn)了CAN智能節(jié)點,，增加CAN節(jié)點的冗余設(shè)計,，提高通訊的穩(wěn)定性，降低應(yīng)答失敗的幾率,；實現(xiàn)不濾波的CAN數(shù)據(jù)接收,，可更好測試系統(tǒng)的可靠性和監(jiān)測功能，當接收到不是已知設(shè)備發(fā)來的消息時,，能夠準確定位設(shè)備故障的位置,。此方案實現(xiàn)的CAN總線隔離器已成功應(yīng)用于某型號飛行器的地面測試臺中，經(jīng)測試和調(diào)試后,，系統(tǒng)工作穩(wěn)定,，達到設(shè)計要求。并且由于采用內(nèi)嵌的CAN 總線控制器,，可為以后的系統(tǒng)升級預(yù)留大量空間,。