can總線相關(guān)小知識

1.1.1 CAN協(xié)議 CAN總線采用分層結(jié)構(gòu)，規(guī)范規(guī)定了任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的兼容性。包括電氣特件利數(shù)據(jù)解釋協(xié)議。
CAN協(xié)議可分為：目標(biāo)層、傳送層、物理層。其中目標(biāo)層和傳送層包括了ISO/OSI定義的數(shù)據(jù)鏈路的所有功能。目標(biāo)層的功能包括：確認(rèn)要發(fā)送的信息；位應(yīng)用層提供接口。傳送層功能包括：數(shù)據(jù)幀組織：總線仲裁：檢錯(cuò)、錯(cuò)誤報(bào)告、錯(cuò)誤處理。
CAN總線以報(bào)文為單位進(jìn)行信息交換，報(bào)文中含有標(biāo)示符（ID），它既描述了數(shù)據(jù)的含義又表明了報(bào)文的優(yōu)先權(quán)。CAN總線上的各個(gè)協(xié)點(diǎn)都可主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)同時(shí)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文時(shí)，CAN控制器采用ID進(jìn)行仲裁。ID控制節(jié)點(diǎn)對總線的訪問。發(fā)送具有最高優(yōu)先權(quán)報(bào)文的節(jié)點(diǎn)獲得總線的使用權(quán)，其他節(jié)點(diǎn)自動(dòng)停止發(fā)送，總線空閑后，這些節(jié)點(diǎn)將自動(dòng)重發(fā)報(bào)文。
CAN支持四類信息幀類型。
（1）數(shù)據(jù)幀 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l l位；在2.0B類型中ID為29位。一個(gè)信息震中包括7個(gè)主要的域： 幀起始域——標(biāo)志數(shù)據(jù)幀的開始，由一個(gè)顯性位組成。仲裁域——內(nèi)容由標(biāo)示符和遠(yuǎn)程傳輸請求位（RTR）組成，RTR用以表明此信息幀是數(shù)據(jù)幀還是不包含任何數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)地請求幀。當(dāng)2.0A的數(shù)據(jù)幀和2.0B的數(shù)據(jù)幀必須在同一條總線上傳輸時(shí)，首先判斷其優(yōu)先權(quán)，如果ID相同，則非擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先權(quán)高于擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀。控制域——r0、r1是保留位，作為擴(kuò)展位，DLC表示一幀中數(shù)據(jù)字節(jié)的數(shù)目。 數(shù)據(jù)域——包含0～8字節(jié)的數(shù)據(jù)。校驗(yàn)域——檢驗(yàn)位錯(cuò)用的循環(huán)冗余校驗(yàn)域，共15位。應(yīng)答域——包括應(yīng)答位和應(yīng)答分隔符。正確接收到有效報(bào)文的接收站在應(yīng)答期間將總線值為顯性電平。 幀結(jié)束——由七位隱性電平組成。

（2）遠(yuǎn)程幀接受數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)可通過發(fā)遠(yuǎn)程幀請求源節(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)誤指示幀由錯(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)檢測到活動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志后發(fā)送“錯(cuò)誤認(rèn)可標(biāo)志”。

（4）超載幀由超載標(biāo)志和超載分隔符組成。超載幀只能在一個(gè)幀結(jié)束后開始。當(dāng)接收方接收下一幀之前，需要過多的時(shí)間處理當(dāng)前的數(shù)據(jù)，或在幀問空隙域檢測到顯性電平時(shí)，則導(dǎo)致發(fā)送超載幀。

（5）幀間空隙位于數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)地幀與前面的信息幀之間，由幀間空隙和總線空閑狀態(tài)組成。幀間空隙是必要的，在此期間， CAN不進(jìn)行新的幀發(fā)送，為的是CAN控制器在下次信息傳遞前有時(shí)間進(jìn)行內(nèi)部處理操作。當(dāng)總線空閑時(shí)CAN控制器方可發(fā)送數(shù)據(jù)。

1.1.2電氣參數(shù)及信號表示
總線上的數(shù)據(jù)采用不歸零編碼方式（NRZ），可具有兩種互補(bǔ)的邏輯值之一：顯性及隱性。CAN總線中各節(jié)點(diǎn)使用相同的位速率。它的每位時(shí)間由同步段、傳播段、相位緩沖段1及相位緩沖段2組成。發(fā)送器在同步段前改變輸出的位數(shù)值，接受器在兩個(gè)相位緩沖段間采樣輸入位值，而兩個(gè)相位緩沖段長度可自由調(diào)節(jié)，以保證采樣的可靠性。另外，CAN總線采用時(shí)鐘同步技術(shù)來保證通訊的同步。

1.2 CAN的主要技術(shù)特點(diǎn)
CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)不分主從，任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，通信方式靈活，利用這一特點(diǎn)可方便地構(gòu)成多機(jī)備份系統(tǒng)，CAN只需通過報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無需專門的"調(diào)度" CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（速率5kbps以下）；通信速率最高可達(dá)1Mbps(此時(shí)通信距離最長為40m)。 CAN上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要決定于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá)110個(gè)；報(bào)文標(biāo)識符可達(dá)2032種（CAN2.0A），而擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)（CAN2.0B）的報(bào)文標(biāo)識符幾乎不受限制。

1.3 CAN總線通信系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
CAN在物理結(jié)構(gòu)上屬于總線式通信網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)的組成如下圖：

圖1 CAN總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)由上位監(jiān)控PC機(jī)、智能節(jié)點(diǎn)和現(xiàn)場設(shè)備三部分組成。上位監(jiān)控PC機(jī)主要負(fù)責(zé)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接受與管理、控制命令的發(fā)送以及各控制單元?jiǎng)討B(tài)參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示；智能節(jié)點(diǎn)可以使現(xiàn)場設(shè)備方便地連接到CAN總線上，主要負(fù)責(zé)對現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，對采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理并將處理后的數(shù)字信號通過CAN通信控制器SJA1000發(fā)送到CAN總線。智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和選擇，對通信信號的傳輸發(fā)送有很的影響，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳送和接收，都是通過CAN總線接口實(shí)現(xiàn)。CAN總線接口電路的設(shè)計(jì)，對CAN總線很是重要。本文正是基于此，對CAN總線接口電路進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，給出一種設(shè)計(jì)方案。

2 CAN總線接口電路設(shè)計(jì)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)
CAN 總線接口電路主要包括：單片機(jī)、控制器接口、總線收發(fā)器和看門狗電路等。采用Philips公司生產(chǎn)的SJA1000控制器和與其配套的82C250CAN收發(fā)器。按照CAN總線物理層協(xié)議選擇總線介質(zhì)，設(shè)計(jì)布線方案，連接成CAN網(wǎng)絡(luò)。雙絞屏蔽線可設(shè)兩套，在兩套介質(zhì)上同時(shí)進(jìn)行信息傳輸，接收方只用一個(gè)介質(zhì)。在冗余和非冗余段的連接臨界點(diǎn)處進(jìn)行總線切換。
硬件電路的設(shè)計(jì)主要是CAN 通信控制器與微處理器之間和CAN總線收發(fā)器與物理總線之間的接口電路的設(shè)計(jì)。CAN通信控制器是CAN總線接口電路的核心，主要完成CAN的通信協(xié)議，而CAN總線收發(fā)器的主要功能是增大通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護(hù)總線，降低射頻干擾（RFI），實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)等?？撮T狗電路主要是實(shí)現(xiàn)對電路的監(jiān)控和復(fù)位作用。

目前廣泛流行的CAN總線器件有兩大類：一類是獨(dú)立的CAN控制器，如82C200、SJA1000及Intel82526/82527等，另一類是帶有在片CAN的微控制器，如P8XC582及16位微控制器87C196CA/CB等。本課題選取PHILIPS公司的SJA1000 CAN控制器以及82C250總線收發(fā)器，主要是考慮到SJA1000支持CAN 2.0A/B規(guī)約。而82C250可以支持110個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)，并且國內(nèi)市場上PHILIPS的產(chǎn)品型號比較多，購買比較方便。在本次設(shè)計(jì)中，接口電路簡單表示如下圖：

圖2-1 接口電路總體框圖

2.2 各模塊電路的設(shè)計(jì)

2.2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)
本設(shè)計(jì)中，應(yīng)用到單片機(jī)為ATMEL公司51系列的89C51，該型號的單片機(jī)應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟，市場上價(jià)格便宜，而且在學(xué)習(xí)中所學(xué)到的多為該型號，在本次設(shè)計(jì)中是首選的芯片。89C51單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心控制部分，但在本設(shè)計(jì)中不是重點(diǎn)講解內(nèi)容，其相關(guān)技術(shù)應(yīng)用和引腳特點(diǎn)功能等，可參照其他相關(guān)資料。設(shè)計(jì)的電路原理方框大致如下圖2-2所示。
設(shè)計(jì)中為避免出現(xiàn)時(shí)鐘信號的沖突，對單片機(jī)的外接晶振引腳XTAL1、XTAL2不接上外圍電路，而是通過控制器SJA1000的時(shí)鐘信號腳反饋給單片機(jī)。同時(shí)，對單片機(jī)的復(fù)位信號處理，RST引腳接上X5045P的RST腳，復(fù)位信號可由X5045P輸出，在X5045P芯片看門狗外圍電路的作用下，減少了以往由電阻、電容組成的簡易復(fù)位電路造成的不精確、延時(shí)高等不良作用，使單片機(jī)回復(fù)到初始狀態(tài)，完成復(fù)位操作。由于在該電路中要用到單片機(jī)的存儲(chǔ)作用，存儲(chǔ)由SJA1000傳輸過來的處理數(shù)據(jù)。因此，腳/EA接上高電平，選用片內(nèi)ROM。對ALE腳，也即地址鎖存有效信號除數(shù)端是和控制器SJA1000的ALE腳接通。

圖2-2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

2.2.2 CAN總線接口控制電路設(shè)計(jì)
SJA1000 在電路中是一個(gè)總線接口芯片，通過它實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與現(xiàn)場微處理器之間的數(shù)據(jù)通信。該電路的主要功能是通過CAN總線接收來自上位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析組態(tài)然后下傳給下位機(jī)的控制電路實(shí)現(xiàn)控制功能，當(dāng)CAN總線接口接收到下位機(jī)的上傳數(shù)據(jù)，SJA1000就產(chǎn)生一個(gè)中斷，引發(fā)微處理器產(chǎn)生中斷，通過中斷處理程序接收每一幀信息并通過CAN總線上傳給上位機(jī)進(jìn)行分析。AT89C51是CAN總線接口電路的核心，其承擔(dān)CAN控制器的初始化、CAN的收發(fā)控制等任務(wù)。