多通道實時CAN總線模擬器設(shè)計

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，實時性高，靈活性強等優(yōu)點，不僅廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)，而且擴展到了機械工業(yè)、機器人、數(shù)控機床等諸多領(lǐng)域。尤其在大量數(shù)據(jù)通信處理中，高可靠性及實時響應(yīng)的場合，單通道CAN總線不能滿足實際通信的要求。為此，介紹一種基于多通道實時CAN模擬器的設(shè)計方案。

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、通信可靠性和實時性，并且簡單實用，網(wǎng)絡(luò)成本低。它主要用于各種過程監(jiān)測及控制的一種網(wǎng)絡(luò)。CAN最初是由德國BOSCH公司為汽車的監(jiān)測、控制系統(tǒng)而設(shè)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(shè)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(luò)上任意一個節(jié)點均可以在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(dāng)兩個節(jié)點是向網(wǎng)絡(luò)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(luò)負(fù)載很重的情況下也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(biāo)識符域的長度不同，含有11位標(biāo)識符的幀稱為標(biāo)準(zhǔn)幀，而含有29位標(biāo)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(yán)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(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(yīng)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(biāo)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(yīng)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(biāo)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(biāo)志”，其他節(jié)點檢測到活動錯誤標(biāo)志后發(fā)送“錯誤認(rèn)可標(biāo)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(biāo)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(dāng)接收方在接收下一幀之前，需要過多的時間處理當(dāng)前的數(shù)據(jù)，或在幀間空隙域檢測到顯性電平時，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)與處理器進行通信。該設(shè)計采用SJA1000控制器。
SJA1000是一款獨立CAN控制器，應(yīng)用于移動目標(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(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，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。