多通道實(shí)時(shí)CAN總線(xiàn)模擬器設計

CAN總線(xiàn)與一般的串行通信總線(xiàn)相比，它的數據通信具有可靠性高，實(shí)時(shí)性高，靈活性強等優(yōu)點(diǎn)，不僅廣泛應用于汽車(chē)行業(yè)，而且擴展到了機械工業(yè)、機器人、數控機床等諸多領(lǐng)域。尤其在大量數據通信處理中，高可靠性及實(shí)時(shí)響應的場(chǎng)合，單通道CAN總線(xiàn)不能滿(mǎn)足實(shí)際通信的要求。為此，介紹一種基于多通道實(shí)時(shí)CAN模擬器的設計方案。

1 CAN總線(xiàn)技術(shù)介紹
1．1 CAN總線(xiàn)特性
CAN(Controller Area Network)總線(xiàn)是一種串行多主站控制器局域網(wǎng)總線(xiàn)。它具有很高的網(wǎng)絡(luò )安全性、通信可靠性和實(shí)時(shí)性，并且簡(jiǎn)單實(shí)用，網(wǎng)絡(luò )成本低。它主要用于各種過(guò)程監測及控制的一種網(wǎng)絡(luò )。CAN最初是由德國B(niǎo)OSCH公司為汽車(chē)的監測、控制系統而設計的。由于CAN總線(xiàn)具有卓越的特性和極高的可靠性，特別適合于工業(yè)過(guò)程中監控設備的互連，具體來(lái)說(shuō)，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(gè)節點(diǎn)均可以在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò )上的其他節點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活；
(2)CAN可以點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)(成組)及全局廣播方式傳送接收數據；
(3)CAN網(wǎng)絡(luò )上的節點(diǎn)信息可分成不同的優(yōu)先級，可以滿(mǎn)足不同的實(shí)時(shí)要求；
(4)CAN采用非破壞性總線(xiàn)仲載技術(shù)。當兩個(gè)節點(diǎn)是向網(wǎng)絡(luò )上發(fā)送數據時(shí)，優(yōu)先級低的節點(diǎn)主動(dòng)停止數據發(fā)送，而優(yōu)先級高的節點(diǎn)可以不受影響地繼續傳輸數據，大大節省了總線(xiàn)仲載沖突時(shí)間，在網(wǎng)絡(luò )負載很重的情況下也不會(huì )出現網(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，不同之處為標識符域的長(cháng)度不同，含有11位標識符的幀稱(chēng)為標準幀，而含有29位標識符的幀稱(chēng)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(shí)，不同的幀具有不同的傳輸結構，只有嚴格按照該結構進(jìn)行幀的傳輸，才能被節點(diǎn)正確接收和發(fā)送。下面將分別介紹四種傳輸幀的結構：
(1)數據幀(Data)：數據幀將數據從發(fā)送器傳輸到接收器。CAN協(xié)議有兩種數據幀類(lèi)型標準2．0A和標準2．0B。兩者本質(zhì)的不同在于ID的長(cháng)度不同。在2．0A類(lèi)型中，ID的長(cháng)度為11位；在2．0B類(lèi)型中，ID的長(cháng)度為29位。它由7個(gè)域組成：幀起始、仲裁域、控制域、數據域、CRC校驗碼域、應答域、幀結束。
(2)遠程幀(Remote)：總線(xiàn)單元發(fā)出遠程幀，請求發(fā)送具有同一標識符的數據幀。接收數據的節點(diǎn)可通過(guò)發(fā)遠程幀請求源節點(diǎn)發(fā)送數據。它由6個(gè)域組成：幀起始、仲裁域、控制域、校驗域、應答域、幀結束。
(3)錯誤幀(Error)：任何單元檢測到總線(xiàn)錯誤就發(fā)出錯誤幀。由錯誤標志和錯誤分界兩個(gè)域組成。接收節點(diǎn)發(fā)現總線(xiàn)上的報文有誤時(shí)，將自動(dòng)發(fā)出“活動(dòng)錯誤標志”，其他節點(diǎn)檢測到活動(dòng)錯誤標志后發(fā)送“錯誤認可標志”。
(4)過(guò)載幀(Overload)：過(guò)載幀用在相鄰數據幀或遠程幀之間提供附加的延時(shí)。由超載標志和超載分隔符組成。超載幀只能在一個(gè)幀結束后開(kāi)始。當接收方在接收下一幀之前，需要過(guò)多的時(shí)間處理當前的數據，或在幀間空隙域檢測到顯性電平時(shí)，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(xiàn)(SJA1000等)或SPI接口(M(2P2515等)與處理器進(jìn)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(dòng)目標和工業(yè)局域網(wǎng)控制領(lǐng)域。SJA1000具有兩種工作模式：BasicCAN和PeliCAN。該設計采用PeliCAN工作模式。SJA1000用來(lái)完成CAN協(xié)議所規定的物理層和數據鏈路層的所有功能，它可以支持多種處理器的時(shí)序特性，如Intel模式或Motorola模式，與微處理器的接口非常簡(jiǎn)單，微處理器以訪(fǎng)問(wèn)外部存儲器的方式來(lái)訪(fǎng)問(wèn)SJA1000。
SJA1000通過(guò)CAN控制器接口即PCA82C250芯片接到CAN總線(xiàn)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(xiàn)之間的接口，提供了對總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)動(dòng)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，可根據實(shí)際情況選擇。硬件電路中使用PCA82C250是為了增加通信距離，提高系統的瞬間抗干擾能力，保護總線(xiàn)，降低干擾等。