CAN總線適配卡的功能特點(diǎn)及如何實(shí)現(xiàn)軟硬件設(shè)計(jì)

作者：汪建平;陶春;周偉

1 CAN總線簡介

CAN（Controller Area Network）總線屬于現(xiàn)場總線的范疇，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN協(xié)議目前已納入ISO國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898），它分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，其中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議已經(jīng)集成在芯片中，可通過硬件自動完成數(shù)據(jù)的成幀與發(fā)送和接收，從而大大減少軟件的工作量，因此，特別適用于工業(yè)自動化領(lǐng)域，尤其是那些強(qiáng)調(diào)低層監(jiān)測與控制且要求可靠性高、實(shí)時(shí)性好的惡劣條件下的工業(yè)現(xiàn)場使用。

CAN總線具有以下突出特點(diǎn)：

● 能夠以多主節(jié)點(diǎn)方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可設(shè)成主節(jié)點(diǎn)以其它節(jié)點(diǎn)主動發(fā)送信息。

●報(bào)文傳輸不含目標(biāo)地址，它以全網(wǎng)廣播為基礎(chǔ)，各個(gè)接收站可根據(jù)報(bào)文中反映的數(shù)據(jù)性質(zhì)標(biāo)識符來過濾報(bào)文以決定是否接收。同時(shí)可通過報(bào)文標(biāo)識符將報(bào)文設(shè)定為不同的發(fā)送優(yōu)先級，以滿足不同的實(shí)時(shí)要求。

●非破壞性總線仲裁和錯(cuò)誤界定，利用現(xiàn)有的產(chǎn)品，可由控制器自動解決總線沖突和出錯(cuò)界定，并對用戶完全透明，同時(shí)還能區(qū)分暫時(shí)和永久故障，并可自動關(guān)閉故障節(jié)點(diǎn)。

●通信距離可達(dá)10km（速率5kb／s），速度可達(dá)1MB／s（距離40m以內(nèi)）。

●理論上，CAN總線的網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)數(shù)不受限制，它有2032種不同的報(bào)文標(biāo)識符，但具體數(shù)量取決于物理層的承受能力，通常CAN總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個(gè)。CAN總線系統(tǒng)一般采用總線式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，成本低，系統(tǒng)可靠性高。其總體模式如圖1所示。

2 CAN總線適配卡的功能特點(diǎn)

CAN總線通信適配卡是插在PC機(jī)ISA插槽內(nèi)的智能通訊卡，它可使PC機(jī)方便地連接到CAN總線上，其特點(diǎn)如下：

（1）采用高性能的8位微處理器89C52（12MHz），可減輕PC主機(jī)的通信負(fù)擔(dān)，而且可以運(yùn)行復(fù)雜的用戶通信任務(wù)。 （2）卡上帶有l(wèi)kB的高速雙口RAM存儲器，可直接映射到主機(jī)內(nèi)存空間以實(shí)現(xiàn)CAN總線與主機(jī)PC的高速數(shù)據(jù)交換，并可設(shè)置雙口RAM在ISA總線中的基地址。

（3）采用16MHz CAN控制器SJAl000時(shí)，其通訊速率可高達(dá)1Mbps。

（4）中斷申請電路能夠保證PC機(jī)和適配卡上的微處理器實(shí)時(shí)處理對方的處理要求。

（5）適配卡上帶有光電隔離，可保護(hù)PC機(jī)避免由于地環(huán)流而造成的損壞，并可增強(qiáng)系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中使用的可靠性。

（6）為方便系統(tǒng)調(diào)試，可用LED指示系統(tǒng)狀態(tài)和CAN的接收和發(fā)送狀態(tài)。

3 CAN總線適配卡的硬件設(shè)計(jì)

CAN通信適配卡由雙口RAM電路、微控制器電路、CAN通信控制電路三部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

3.1 雙口RAM及其控制電路

雙口RAM是一種性能優(yōu)越的快速通信器件，它能提供兩種完全獨(dú)立的端口，每個(gè)端口都有完整的地址、數(shù)據(jù)和控制線。對于器件兩邊的使用者CPU而言，它與一般的RAM無多大區(qū)別，只有在兩邊同時(shí)讀寫同一地址單元時(shí)，才會出現(xiàn)競爭現(xiàn)象。在CAN通信適配卡中，通常利用雙口RAM IDT7130來建立雙向數(shù)據(jù)交換通道，以實(shí)現(xiàn)PC機(jī)和CAN控制器之間的數(shù)據(jù)傳送。

PC機(jī)與擴(kuò)展存儲器的接口有兩種方法：一種是把雙口RAM當(dāng)成外部設(shè)備，使用端口I／O指令進(jìn)行訪問，這種方法一次只能傳送一個(gè)字節(jié)（或字），因而傳送速度較慢；另一種是內(nèi)存映像法，即把雙口RAM地址配置于PC機(jī)主存儲器的高端（一般為C0000H-DFFFFH），以使PC機(jī)像訪問主存儲器一樣訪問雙口RAM，同時(shí)使所有能夠訪問主存儲器的指令也可以以同樣的方式訪問雙口RAM。內(nèi)存映像法可以以字符塊為單位進(jìn)行傳送，因而可實(shí)現(xiàn)快速訪問雙口RAM。正是基于這些優(yōu)點(diǎn)，在本適配卡設(shè)計(jì)中采用了內(nèi)存映射的存儲器尋址方式。

圖3為雙口RAM的控制電路，其訪問原理為：ISA總線共有24條地址線，可尋址16MB存儲空間。地址線A12-A19接到比較器74LS688的P0-P7，比較器的Q0-Q5接一個(gè)六位的撥碼開關(guān)，Q6、Q7接高電平。74LS688的輸出接可編程邏輯器件GALl6V8。這樣，當(dāng)P0-7=Q0-7時(shí)，74LS688的輸出為低電平，地址選擇有效。另外，通過設(shè)置撥碼開關(guān)，用戶可以選擇雙口RAM在PC機(jī)存儲器中的初始地址。如置撥碼開關(guān)為Q0-5=001011，則雙口RAM在ISA總線的初始地址為D0000H。這樣，通過可編程邏輯器件GALl6V8便可將1SA總線的各種信號進(jìn)行邏輯組合，以形成三個(gè)控制信號，從而實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對雙口RAM的訪問。這三個(gè)信號為：

P19=P1*P2*P3*P6*P7 RAM片選信號

P18=P1*P2*P3*P6*P7*P5 RAM讀信號

P17=P1*P2*P3*P6*P7*P4 RAM寫信號

3．2微控制器電路

微控制器89C52是ATMEL公司的產(chǎn)品，它與MCS51系列CPU完全兼容，并帶有8k字節(jié)的在系統(tǒng)可編程FLASH MEMORY（最多可以擦寫100次），同時(shí)帶有256B的片內(nèi)RAM，因此一般不需要擴(kuò)展片外ROM。

當(dāng)89C52與CAN總線通信時(shí)，通常需要較大的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，因此該系統(tǒng)中擴(kuò)展了8kB的片外RAM來滿足通信的需要。

在該適配卡中，有一些數(shù)據(jù)（如下層CAN節(jié)點(diǎn)的數(shù)目、CAN通信的初始化參數(shù)等）在適配卡斷電以后仍需要保存，因此應(yīng)擴(kuò)展一片EEPROM。本卡采用的是一個(gè)8k X 8位的非易失性存儲器2864，它的快速讀時(shí)間最大為250ns，存儲的數(shù)據(jù)可以保存10年。如果程序在運(yùn)行過程中需要對適配卡的通信參數(shù)進(jìn)行重新配置，可通過調(diào)用PC機(jī)對CAN適配卡參數(shù)配置子程序來完成，并可在設(shè)置成功的同時(shí)將相應(yīng)的參數(shù)存入2864，以備下次適配卡啟動時(shí)調(diào)用。

考慮到電路調(diào)試和系統(tǒng)故障的處理，本卡設(shè)計(jì)了三種復(fù)位方式。其中上電復(fù)位方式為在PC機(jī)通電時(shí)，使CAN適配器也同時(shí)復(fù)位；在調(diào)試出現(xiàn)問題時(shí)可通過手動復(fù)位鍵復(fù)位，以便解決調(diào)試中出現(xiàn)的問題；第三種是軟件復(fù)位，該方式可通過調(diào)用PC機(jī)管理程序中的初始化模塊并通過軟件指令對CAN適配卡進(jìn)行復(fù)位。

3．3 CAN通信控制電路

CAN通信控制器選用PHILIPS公司的sJAl000，它具有完成高性能通信協(xié)議所要求的全部必要特征，支持CAN協(xié)議約定的4種不同幀格式（即數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀和超載幀），具有簡單總線連接的SJAl000可完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能，并在與CPU連接時(shí)可確保SJAl000以存儲器映像的外圍設(shè)備出現(xiàn)。為加強(qiáng)CAN總線的差動發(fā)送和接收能力，該電路采用了CAN總線收發(fā)接口電路82C250。82C250的引腳8允許選擇高速、斜率控制和待機(jī)三種不同的工作方式，并可通過設(shè)置撥碼開關(guān)切換不同的工作方式。在SJAl000與82C250之間接入光電耦合器可增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，光耦可采用高速光耦6N137，光耦兩側(cè)應(yīng)采用5V的DC-DC隔離電源。圖4所示是一種CAN通信接口電路。

4 適配卡的軟件設(shè)計(jì)

適配卡主要承擔(dān)的是計(jì)算機(jī)和CAN節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，因而其軟件設(shè)計(jì)也包括兩部分：其一是PC機(jī)端的應(yīng)用程序，用于負(fù)責(zé)完成PC機(jī)和雙口RAM的通信。實(shí)際上，運(yùn)行時(shí)需要開發(fā)虛擬設(shè)備驅(qū)動程序（VxD）來完成對雙口RAM的讀寫、對雙口RAM中斷的處理以及和應(yīng)用程序的通信。其二是卡上單片機(jī)端的程序設(shè)計(jì)，該程序采用FranklinC51編寫，可完成單片機(jī)與雙口RAM以及與CAN控制器之間的通信。圖5為該適配卡的簡化程序流程圖。

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