《完全手册51单片机c语言开发详解系列之第12章综合实例工业can网络ppt培训课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《完全手册51单片机c语言开发详解系列之第12章综合实例工业can网络ppt培训课件（53页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第12章 综合实例工业CAN网络控制系统节点设计,本章通过一个在工业上实际使用的实例，讲解CAN网络控制系统的设计方法，及其CAN通讯协议的基本制定过程。通过该实例，读者能够学习到CAN网络通讯、CAN通讯协议制定各方面的知识。,12.1 系统结构与分析,在工业现场，往往需要通过一个主机对分布在厂房各处的设备进行控制和监控，利用CAN网络，可以有效的组织各个设备的通讯与管理。,12.1.1 工业CAN网络控制系统节点功能分析,在工业现场，大部分控制与监控只需要对输入输出的数字信号进行管理即可，因此本章设计的工业CAN网络控制系统节点，需要具备以下的功能。 硬件具备足够数量的数字信号输入端口（=
2、12）； 硬件具备足够数量的数字信号输出端口（=12）； 硬件具备总线通讯能力，总线负荷结点数=50个，通讯能力不小于250kbsp，根据需要综合考虑选用CAN总线通讯系统；,12.1.1 工业CAN网络控制系统节点功能分析,硬件具备显示时钟能力，时钟可以根据需要由总线设置； 硬件具备232/485接口，与智能仪表进行通讯； 硬件具备相当的抗干扰能力，能够满足现场条件的稳定运行； 在满足上述条件下尽可能减小成本。,12.1.2 工业CAN网络控制系统分析,本章介绍的工业CAN网络控制系统，通过CAN网络对各个分布节点的数字量输出信号进行控制，同时监控分布节点的数字量输入信号，并通过232/48
3、5协议读取智能仪表的测量值，通过CAN网络采集到系统主机，在各个节点处相应有LED显示状态。,12.2 CAN总线知识简介,CAN，全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。最初，CAN是作为汽车环境中的微控制器通讯而设计的，因此在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络方面得到了大量的应用。例如发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统等等，均具备CAN通讯的能力。随着CAN总线的发展，CAN总线也被广泛应用于工业控制。,12.2.1 CAN总线的特点,CAN总线是一种多节点的无主从竞争网络，其具备
4、以下一些突出的特点。 低成本； 极高的总线利用率； 很远的数据传输距离(长达10Km)； 高速的数据传输速率（高达1Mbit/s）；,12.2.1 CAN总线的特点,可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文； 可靠的错误处理和检错机制； 发送的信息遭到破坏后，可自动重发； 节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能； 报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。,12.2.2 CAN总线的物理层,CAN总线的物理层通过两根导线将所有设备连接到一起，这两个导线称为CANH和CANL。由于CAN协议没有对CAN总线的通讯介质作出规定，因此CAN总线的通讯介质可以是屏蔽双绞线或者
5、光缆等常用的通讯线路。如图所示为简单的CAN总线拓扑结构。,12.2.3 CAN总线的报文帧,为了实现CAN总线的通讯功能，CAN通讯协议中定义了四种不同的通讯报文帧。 数据帧：数据帧携带数据从发送器至接收器； 远程帧：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧； 错误帧：任何单元检测到总线错误就发出错误帧； 过载帧：过载帧用以在先行的和后续的数据帧（或远程帧）之间提供一附加的延时。 12.2.3.1 数据帧 12.2.3.2 远程帧 12.2.3.3 错误帧 12.2.3.4 过载帧,12.2.4 CAN总线的仲裁,当CAN总线上两个节点同时发送信息时，就需要进行CAN总线的仲裁。C
6、AN总线以报文为单位进行数据传送，报文的优先级结合在11位/29位标识符中，具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。这种优先级一旦在系统设计时被确立后就不能再被更改，总线读取中的冲突可通过位仲裁解决。 当CAN网络上两个节点同时发送消息时，就要发生CAN总线的仲裁，总线状态由节点中的显性位所决定，因此，当一个节点发送的仲裁域出现隐形位时，节点将检查总线状态是否与自己状态一致，当发现总线被显性状态所占据时，说明有更高优先级的节点正在发送信息，该节点自动停止发送，等待下一次总线空闲时再尝试发送。,12.3 工业CAN网络控制系统节点硬件电路设计,在本节中从各个子系统详细介绍工业CAN网络控制系统节
7、点的硬件电路设计，包括单片机最小系统、CAN控制器电路、CAN收发器电路、时钟显示电路、输入输出控制电路和跑马灯电路等部分。,12.3.1 AT89S51单片机最小系统电路,在该设计中采用了AT89S51单片机作为核心处理器，因此在电路中首先需要设计的是AT89S51的最小系统。 AT89S51单片机的最小系统电路包含以下几个部分： 单片机供电电路：AT89S51需要具有可靠的5V供电，在电路图中的VCC和GND为供电网络标识符； 振荡电路：AT89S51需要一个稳定的振荡电路才能够正常工作，在该电路采用了24Mhz的晶振作为AT89S51的时钟源； 复位电路：复位电路是单片机正常运行的一个必
8、要部分，复位电路应该保证单片机在上电的瞬间进行一次有效的复位，在单片机正常工作时将RST引脚置低。此外通过一个按键进行手动复位，在单片机运行不正常时使用。,12.3.2 CAN总线控制电路,CAN控制器电路采用Philips公司生产的SJA1000并行接口CAN控制器，SJA1000是一款独立的控制器，用于汽车和一般工业环境中的控制器局域网络(CAN)。 12.3.2.1 SJA1000的性能指标 SJA1000是PHILIPS半导体PCA82C200 CAN控制器(BasicCAN)的替代产品，它增加了一种新的工作模式（PeliCAN），这种模式支持具有很多新特性的CAN 2.0B协议，具体
9、性能指标如下。 12.3.2.3 SJA1000的滤波工作方式 使用SJA1000时要注意SJA1000的验收滤波器的使用才能够正确的从CAN总线上接收正确的数据。 12.3.2.4 SJA1000的接口电路,12.3.3 CAN收发器电路,CAN收发器采用Philips公司生产的PCA82C250专用高速CAN收发器，PCA82C250是CAN协议控制器和物理总线之间的接口，该器件对总线提供差动发送能力，并对CAN控制器提供差动额接收能力，具有体积小，耗电低，工作稳定，抗干扰能力强的特点。 12.3.3.1 PCA82C250的性能指标 12.3.3.2 PCA82C250的引脚定义 12.
10、3.3.3 PCA82C250的CAN驱动电路设计,12.3.4 时钟显示电路,时钟显示采用了共阴极的LED数码管，为了减小对单片机引脚的占用和降低成本，采用Maxim公司生产的MAX7219串行LED数码管驱动器，MAX7219是美国MAXIM公司生产的串行输入输出共阴极显示驱动器。 该芯片可直接驱动最多8位7段数字LED显示器，或64个LED和条形图显示器。它与微处理器的接口非常简单，仅用3个引脚与微处理器相应端连接即可实现最高10MHz串行口。 12.3.4.1 时钟显示电路设计 具体电路设计如图12.23所示，MAX7219与AT89S51单片机连接采用三线串行接口。 对于MAX721
11、9，串行数据是以16位数据包的形式从DIN脚串行输入，在CLK的每一个上升沿一位一位地送入芯片内部16位移位寄存器。,12.3.5 数字量输入输出,数字量输入/输出接口电路主要是用于工业控制时的逻辑输入和输出，设计要求大于12路输入/输出，由于数字核心单片机的引脚有限，要实现如此之多的输入输出必须要进行IO扩展。 如果使用逻辑电路进行扩展，电路复杂程度和成本都会比较高，因此采用Atmel公司生产的AVR单片机Atmega 48进行数字端口的扩展，该单片机成本只要5元左右，却能够实现19路的数据量，在该电路使用中无需晶振电路，几乎所有的引脚都可以用来作为IO扩展接口，,12.3.6 跑马灯及其他
12、接口电路,为了调试方便，在电路中外扩了8位跑马灯，为了减少端口使用，将跑马灯电路与ID设置电路进行了复用，具体电路设计如图所示，此外，也为电路留出了RS232接口，CAN和电源接口。,12.3.7 工业CAN网络控制节点总电路,由以上的设计分析可以得到如图所示的节点硬件电路图。,12.4 工业CAN网络控制系统通讯协议设计,本节讲解工业CAN网络控制系统节点的通讯协议设计，该通讯协议基于CAN总线在工业上的标准通讯协议CANOpen进行简化并制定，本章仅仅选取了部分重要的协议部分进行讲解，具体细节读者可以参考CANOpen协议标准。,12.4.1 拓扑结构与接口定义,本章介绍案例的工业现场控制
13、系统的网络拓扑图如图所示，控制主机通过CAN总线控制现场设备进行数字量的输入和输出操作。,12.4.2 通讯约定协议,通讯约定协议是指网络中约定的统一通讯参数，通讯约定是所有节点能够正常连接的基本条件。 12.4.2.1 通信节点及约束 通信节点包括控制主机（MCC）和现场设备节点（ETN），一个网络允许一个MCC及一个或多个ETN，网络中至多允许126个ETN。,12.4.2 通讯约定协议,12.4.2.2 信息交换方式 网络工作在主/从通讯模式，网络中只允许MCC和ETN之间的通信，MCC为主设备，ETN为从设备。MCC以单播或广播的方式进行通信，ETN接收对应ID的单播数据和所有的广播数
14、据；ETN只向MCC发送单播数据。不允许ETN发送多播数据，不允许ETN之间的通信。,12.4.2 通讯约定协议,12.4.2.3 通信数据速率 CAN网络速率为250Kbps。 12.4.2.4 数据刷新速率 以250Kbps运行的CAN网络，网络的满负荷帧率约为2000frps。为保证各ETN有足够时间处理数据，ETN发送帧率小于5frps。,12.4.2 通讯约定协议,12.4.2.5 帧格式 网络中采用CAN标准帧进行通信，每帧包括11位标识符（ID）、数据长度码（DLC）、远程传送请求位（RTR）、最多8个字节的数据等由用户设置的内容。此外，每帧还有CAN标准规定的帧起始、校验、分割
15、、应答等。,12.4.3 标识符定义,在采用标准帧进行通信时，CAN对象标识符（COB-ID）为11位，其中高四位为功能代码，低7位是节点标识符。标识符的定义如表12.1所示。 12.4.3.1 功能代码 功能代码定义了功能代码值的范围是0x00H 0x0EH，其中0x00H - 0x02H对应于CANOpen中预定义主从连接集的广播对象，0x03H 0x0EH对应于CANOpen中主从连接集的对等对象。,12.4.3 标识符定义,12.4.3.2 广播对象 广播对象包括网络管理（NMT，Network ManagemenT）模块控制（Module Control）、同步（SYNC，SYNCh
16、ronize）、时间戳（TIME，Time Stamp），如表所示。,12.4.3 标识符定义,12.4.3.3 对等对象 对等对象包括紧急消息（EMCY，EMergenCY）、过程数据对象（PDO，Process Data Object）、服务数据对象（SDO，S1ervice Data Object）、网络管理错误控制（NMT，NMT Error Control）五类。,12.4.3 标识符定义,12.4.3.4 节点标识符（NID）分配 NID从01H到7EH为ETN所用，7FH（全1）为MCC所用。 在实际的网络通信中，所有对等对象的NID始终表现为ETN的NID，即在所有的对等对象通信中，主控电脑发送的帧以实验台节点的NID作为的地址，实验台节点发送的帧以自身的NID作为源地址，所有广播帧的NID为0，如表所示。,12.4.4 过程数据对象（PDO）,网络报文数据共8个字节，分别表示为Byte 0, Byte 1, , Byte 7。每个字节8位，表示为：b0, b1, , b7，位序表示为b7, b6, , b0。即在网络上串行发送数据时，每字节的最高位被首先发送，最低位被最后发送。字节序及位序的定义见如表所示。,
