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1、基于CAN总线的单片机监控系统目录1 设计说明引言2 CAN总线特点及协议介绍2.1 CAN总线的特点 2.2 CAN总线的分层结构 2.3 报文传送及帧结构 2.3.1 帧格式 2.3.2 帧类型 2.4 CAN总线通信原理 3 CAN总线单片机监控系统硬件设计 3.1.1 SJA1000简介3.1.2 SJA在CAN总线系统节点的应用3. 2CAN总线硬件接口电路设计3.1.2 设计注意事项 3.1.3 PAC82C250简介 3.2 CAN通信电路设计 3.2.1 CAN总线接口电路3.2.2设计注意事项3.3 C8051F310简介3.4 PAC82C250简介4 CAN总线监控系统软
2、件设计 5 CAN总线的单片机监控系统程序设计6 CAN总线的单片机监控系统原理图设计7 总结设计说明1、 引言现场总线（Fieldbus）是用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网路的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。这是一项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术。本课题在深入研究CAN现场总线协议后，力求能设计出符合CAN总线协议的现场智能节点模块，能够接收和处理现场信号并能将处理好的信号发送给现场控制器和现场执行器完
3、成转换任务。本课题的最终目的是达到对现场总线控制系统的掌握和应用，并且掌握用电子硬件开发的思路和方法，培养和提高个人的独立科研及设计能力。CAN-bus(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-bus被设计作为汽车环境中的微控制器通讯工具，用于在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，从而形成汽车电子控制网络。如今，CAN-bus作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通讯控制方式，已被广泛应用到各个自动化控制系统中。而且CAN-bus总线在通信能力、可靠性、实时性、灵活性、易用性、传输距离等方面较RS-485总
4、线有着明显的优势。因而用CAN总线取代RS-485总线将是大势所趋。CAN总线（Control Area Network,控制局域网络）最初是由德国Bosch公司为汽车内部的监控系统而设计的，世界上一些著名的汽车制造厂商，如BENZ , BMW , PORSCHE , ROLLS-ROYCE等都以采用CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。CAN是一种有效支持分布式控制和实时控制的总线式串行通信网络，具有物理层，数据链路层和应用层三层协议。CAN总线专用接口芯片中以固件形式集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能：可完成对通信数据的成帧处理，包括：位填充、数据块编码、循
5、环冗余校验、优先级判别等多项工作。CAN总线各节点之间依据优先权进行总线访问，以广播的形式进行通信。CAN总线产品由于结构简单、应用灵活方便、可靠性强、通信距离相对较远、价格低廉等优点，越来越受到工业界青睐。据1992年成立的国际CAN用户和制造商非营利组织CiA(CAN in Automation)统计，在1998年销售了9700万个节点。其中80%安装于欧洲。CAN节点的80%应用于车辆，其余应用于嵌入式网络和工业控制系统，如工厂控制系统、机器人控制系统、监测系统、机床控制系统等。在欧洲高能物理项目CERN中也采用了CAN总线。由于CAN总线本身的特点，其应用范围已不再局限于汽车行业，而向
6、机械工业、数控机床及传感器等领域发展，因此对其通信格式的标准化提出了要求。1991年9月Philips Semiconductors制订并发布了CAN技术规范(Version2.0)。该技术规范包括了A和B两部分。2.0A给出了CAN报文标准格式，而2.0B给出了标准的和扩展的两种格式。此后，1993年11月ISO正式颁布了道路交通运输上数据信息交换一高速通信控制器局域网(CAN)国际标准ISO11898，为控制器局域网的标准化、规范化铺平了道路。2、 CAN总线特点及协议介绍2.1 CAN总线的特点CAN总线与其它通信网的不同之处有二：一是报文传送中不包含目标地址，它是以全网广播为基础，各接
7、收站根据报文中反映数据性质的标识符来过滤报文，该收的收下，不该收的弃而不用。其好处是可在线上网下网、即插即用和多站接收；二是特别强化数据安全，可满足控制系统及其它较高数据要求的系统需求。CAN具有以下主要技术特性： (1)CAN遵从ISO模型，采用了其中的物理层、数据链路层与应用层。采用双绞线，通信速率最高可达到1 Mbps40 m，直接传输距离最远可达10 kin5 kbps。同一段总线内最多可挂接110个设备。 (2)CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧有效字节数为8个。因而传输时间短，受干扰的概率低。当节发生严重错误时，CAN可自动关闭该节点，同时切断与总线的联系，以使总线上其它节点不受
8、影响，因此CAN总线具有很强的抗干扰能力。 (3)CAN可支持多主工作方式，网络上任一节点在任何时候均可主动向其它节点发送信息，同时也支持点点、一点对多点和全局广播方式来接收发送数据。处于优先级低的节点会主动停止发送，以此来避免总线冲突。 CAN属于总线式串行通信网络，由于其采用了许多新技术及其独特的设计，与一般的通信总线相比，C总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，因而一些世界著名的汽车厂商如BENZ，BMW，ROLLS-ROYCE等都采用CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。其特点可概括如下：l CAN为多主工作方式，也就是说网络上的任何一节点均可在任意
9、时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式比较灵活，而不用站点地址等节点信息。l CAN网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在134us内得到传输。l CAN总线采用非破坏性总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁的时间。l CAN总线只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据。l CAN的直接通信距离最远可达10km(速率5kbps以下)；通信速率最高可达1 Mbps(此时通信距离最长为40m)。l
10、 CAN上的节点主要取决于总线驱动电路，目前可达110个；报文标识符可达2032种(CAN2.0A)，而扩展标准(CAN2.0B)的报文标识符几乎不受限制。l CAN总线采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率小，具有极好的检错效果。l CAN的每帧信息都有CRC检验及其他检错措施，保证了数据出错率极低。l CAN 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。2.2 CAN总线的分层结构CAN的遵从OSI模型，按照OSI基准模型，CAN结构划分为两层:数据链路层和物理层，其中数据链路层包括逻辑链路层LLC和媒体访问控制层MAC。如图2-1所示：图2-1 CAN结构图LLC子层的主要功能是：为数
11、据传送和远程数据请求提供服务，确认由LLC子层接收的报文已被接收，并为恢复管理和通知超载提供信息。MAC子层的功能主要是传送规则，亦即控制帧的结构、执 行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定。物理层的功能是有关全部电气特性在不同节点间的实际传送。CAN技术规范2.0B定义了数据链路中的MAC子层和LLC子层的一部分，并描述与CAN有关的外层。物理层定义了信号怎样进行发送，因而，涉及位定时、位编码元和同步的描述。在这部分技术规范中，未定义物理层中的驱动器/接收器特性，以便允许根据具体应用，对发送媒体和信号电平进行优化，使信号传输更加方便。MAC子层子层是CAN协议的核心，它描述由LLC子层接收到的
12、报文和对LLC子层发送的认可报文。MAC子层可响应报文帧、仲裁、应答、错误检测标定。MAC子层有称为故障界定的一个管理实时监控，它具有识别永久故障或短暂扰动的自检机制。LLC子层的主要功能是报文滤波、超载通知和恢复管理。2.3 报文传送及帧结构2.3.1 帧格式规范中有两种不同的帧格式，不同之处在于每帧的标识符的长度不同。标准帧的标识符长度为位而扩展帧的长度则为29位。2.3.2 帧类型CAN总线的数据传输由以下4个不同的帧类型所表示和控制：数据帧：数据帧将数据从发送器传送到接收器。远程帧：总线单元发出远程帧，请求发送具有相同标识符的数据帧。错误帧：任何节点检测到总线错误就发出错误帧。超载帧：
13、超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。数据帧和远程帧可以使用标准帧及扩展帧两种格式，它们用一个帧空间与前面的帧分开1、 数据帧 数据帧由7个不同的位场组成，即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场和帧结束。数据帧的结构如图2-2所示：图2-2 数据帧1） 帧起始(SOF)标志数据帧和远程帧的起始，它仅由一个显性位构成。只有在总线处于空闲状态时才允许站开始发送。所有站都必须同步于首先开始发送的那个站的帧起始前沿。 2） 仲裁场由标识符ID和远程发送请求位(RTR)组成。对于CAN2.0B，标准格式和扩展格式的仲裁场格式不同。在标准格式中，仲裁场由11位标识符
14、和远程发送请求位RTR组成，标识符为ID.28ID.18，如图2-3所示：图2-3 仲裁场而在扩展格式中，仲裁场由29位标识符、远程请求SRR位、标识位（IDE）和远程发送请求位(RTR)组成，标识符位为ID.28ID.0，如图2-4所示：图2-4 仲裁场3） 控制场由6位组成。其结构如图2-5所示：图2-5 控制场IDE位及保留位r0；扩展格式里的控制场包括数据长度代码和两个保留位r1和r0。保留位必须发送显性位。数据长度码DLC指出数据场的字节数目。数据长度码为4位，在控制场中被发送。数据字节的允许使用数目为08，不通用其他数值。4） 数据场由数据帧中被发送的数据组成，它可包括08个字节，
15、每个字节8位。首先发送的是最效位。2、 远程帧远程帧由6个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场CRC场、应答场和帧结束。与数据帧相反，远程帧的RTR位是隐性位。远程帧不存在数据场。DLC的数据值是没有意义的，它可以是0-8中的任何数值，这一数值为对应数据帧的DLC，如图2-6所示：图2-6 远程帧3、 出错帧 出错帧由两个不同的场组成，如图2-7所示：图2-7 出错帧第一个场由来自各站的错误标志叠加得到。第二个场是出错界定符。为了能正确地终止错误帧，一种“错误认可”的节点要求总线至少有长度为3个位时间的总线空闲(如果“错误认可”的接收器有本地错误的话)。因此，总线的载荷不应为100%。有两种形式的错误标志，一种是活动错误标志，另一种是认可错误标志。活动错误标志由6个连续的“显性”位组成，认可错误标志由6个连续的“隐性”的位组成，除非被其他节点的“显性”位重写。4、 超载帧超载帧包括两个位场:过载标志和过载界定符。如图2-8所示：图2-8 超载帧三种超载条件都会导致超载标志传送：1、接收器的内部条件(此时接收器对于下一数据帧或远程帧需要有一延时)。2、间歇场期间检测到显性位。3、如果CAN节点在错误界定符或超载界定符的第8位(最后一位)采
