论文基于CAN总线的交通信号控制节点设计.docx
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论文基于CAN总线的交通信号控制节点设计
摘要
随着科学技术的快速发展,工业控制和生产自动化技术的不断进步以及微处理器的广泛应用,现场总线技术日益成为国内外各个行业的关注焦点。
传统的独
立仪表已经不能满足目前控制系统大规模化、智能化、网络化方向发展的要求,一种新型的基于现场总线的智能仪表应运而生。
CAN(ControllerAreaNetwork)现场总线作为一种自效支持分布式控制和实时控制的技术,以其稳定性好、可靠性高、抗干扰能力强、通讯速率快、维护成本低及其独特的设计,现己经成为国际上应用最为广泛的现场总线之一。
本课题采用主流单片机STC89C52为微处理器,结合独立CAN控制器SJA1000设计了CAN总线的数据通信系统硬件电路,使CAN总线的通讯更加直观。
本文提出了相应的通信软件模型,通信软件模型包括应用层协议模块、基本通信模块和运动控制应用模块。
具有现场交通信号控制、通行时间显示及CAN总线通信等功能可通过CAN总线与上位监控站和其他交通信号控制节点传送状态和各种参数,并接受来自监控站的控制信息以调整和改变自身的控制状态。
本课题设计的数据通信系统结构简单、使用方便、设计灵活,能够满足交通控制中网络化、智能化的发展要求,对目前基于CAN总线的研究具有积极作用。
关键词:
CAN数据通信,交通信号控制,单片机
Abstract
Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,industrialcontrolandautomationtechnologycontinuestoprogressaswellasthemicroprocessorapplication,fieldbustechnologyhasincreasinglybecomethefocusofvariousdomesticandinternationalindustry.Thetraditionalindependentinstrumentcannotmeetthecurrentcontrolsystemoflarge-scale,intelligent,networkeddirectionrequirements,anovelbasedonthefieldbusinintelligentinstrumentemergeasthetimesrequire.CAN(ControllerAreaNetwork)fieldbusasaselfefficiencysupportdistributedcontrolandreal-timecontroltechnology,withgoodstability,highreliability,strongantiinterferenceability,fastcommunicationrate,lowmaintenancecostanditsuniquedesign,nowhasbecomethemostwidelyusedoneofthefieldbus.
ThesubjectoftheuseofmainstreamchipSTC89C52microprocessor,withindependentCANcontrollerSJA1000designofCANbusdatacommunicationsystemhardwarecircuit,theCANbuscommunicationmoreintuitive.Thispaperpresentsthecorrespondingcommunicationmodel,communicationsoftwaremodelincludingtheapplicationlayerprotocolmodule,basiccommunicationmoduleandmotioncontrolapplicationmodule.Amongthem,theapplicationlayerprotocolmoduleincludesamessageidentifierallocation,datadomaininformationformat,dataexchangemodeandmessagefilteringmechanismofcontent;basiccommunicationmoduleincludesCANcontrollerinitialization,messagereceiving,sendingmessages,errorhandlingandinterruptserviceprogramcontent;motioncontrolapplicationmoduleincludesanoutputcontrolcommandandaninputstateinformationcontent.
Thedesignofthesubjectdatacommunicationsystemhastheadvantagesofsimplestructure,convenientuse,flexibledesign,canmeettherequirementsofindustrialcontrolnetwork,intelligentdevelopmentrequirement,toatpresentbasedontheCANbushaspositiveeffectson.
Keywords:
datacommunicationofCAN,,singlechipmicrocomputer
第5章模拟仿真结果与分析
5.1仿真电路图
5.2仿真结果与分析
第一章绪论
1.1选题背景及意义
随着微型计算机技术和嵌入式系统技术的迅速发展,工业控制系统已成为计算机技术应用领域中最具活力的一个分支,并取得了巨大进步。
由于对系统可靠性和灵活性的高要求,工业控制系统的发展主要表现为:
控制面向多元化,系统面向分散化,即负载分散、功能分散、危险分散和地域分散。
即以微型计算机(单片机或嵌入式系统)为主体,代替传统仪表的常见电子线路,称为新一代的具有某种智能的灵巧仪表。
传统模拟式仪表的各种功能是由单元电路实现的,而在以单片机或嵌入式系统为主体的仪表中,则由软件完成众多的数据处理和控制任务。
同时,正由于现场总线的标准尚未统一,也使得现场总线的应用得以不拘一格地发挥,并将为现场总线的完善提供更加丰富的依据。
控制器局部网CAN(ControllerAreaNetwork)正是在这种背景下应运而生的。
CAN(ControllerAreaNetwork)是现场总线的一种,最早是德国Bosch公司在上世纪80年代推出的,主要应用于汽车内部检测以及控制系统间的数据通信。
CAN总线通信协议充分考虑了工业现场环境,采用了ISO-OSI模型中的三层,即物理层,数据层和应用层。
CAN总线规范已被国际标准化组织制订为国际标准ISO11898,并得到了多家著名半导体器件生产商的支持,推出了各种集成CAN协议的芯片产品。
CAN 是Control Area Network 的缩写, 该项技术最早由德国BOSCH 公司推出, 用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。
其总线规范现已被ISO 国际准组织制订为国际标准。
由于得到了Motorola , Intel , Philip , Siemence , NEC 等公司的支持, 它广泛应用在离散控制领域。
CAN通信介质可以是双绞线、光导纤维、同轴电缆,作为一种串行多主站控制器局域网总线,他的通讯可靠性、网络安全性、实时性都非常高,成本也低廉,很适用一些中小规模的交通运载工
具电气系统、工业过程监控设备的互连、电磁辐射强、环境温度恶劣、振动大的工业环境及汽车计算机控制系统。
就目前的趋势看,CAN总线协议必是汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线。
CAN属于总线式串行通信网络,由于采用了许多新技术以及独特的设计,与一般的通信总线相比,CAN总线的数据通信具有突出性能、可靠性、实时性和灵活性,以及良好的故障珍断和纠错能力。
其特点主要有:
1)支持分布式控制,实时控制。
2)不分主从,CAN是主站总线,在任何时刻各节点都可向网络上的节点发送信息,通信灵活,可以多主方式工作。
3)实时性好,采用非破坏性的独特的总线仲裁技术,高优先级节点优先传送数据,有效避免总线冲突。
4)CAN采用全局广播、一点对多点、点对点传送数据功能。
5)短帧结构的采用降低了数据出错率,数据传输时间短,每帧有效字节数最多为8个,有CRC及其它校验措施,适合在高干扰环境下使用。
6)一旦出现严重错误,可自动脱离或关闭总线,而其他总线操作不会受影其响。
7)每次扩充石,直接挂新节点在总线上,改型灵活,系统扩充容易,走线少。
8)CAN总线的最大传输速率可达1Mb/s,直接通信距离最远可达到10km,(速率在5kbps以下)。
9)CAN节点数在标准帧是可达110个,扩展帧个数不限。
10)数据传送方式可分为数据广播式和远程数据请求式。
自CAN总线问世以来,为满足CAN总线协议的多种应用需要,相继出现了几种高层协议。
目前大多数基于CAN总线的网络都采用CAN总线的高层协议。
CAN open、Device Net和SDS是通常采用的高层协议,适用于任何类型的工业控制局域网应照场合,而CAL贝I|应用于基于标准应用层通讯协议的优化控制场合,SAEJl939则应用于卡车和重型汽车计算机控制系统。
在CAN总线系统中各控制单元间的通讯是依靠报文收发来实现的。
每个将要被发送的报文都被标以信息标识(标识符)。
CAN总线最大的特点是给每个报文本身编址而不是给节点控制器编址,这样每条报文以广播形势发送可以被共享接收。
是否接收报文有赖于控制器的判别(接收选择系统),这个接收过程也叫数据滤波。
这样做的好处是每条报文可以被一个、几个甚至所有的控制器接收,从而可以使事件并发处理。
CAN总线是多主体系结构,总线上所有的控制器地位都是平等的,都享有主控功能。
这样做最大的好处是每个控制器在数据交换时可以占据公共的传输介质。
除此之外多主式结构对提高系统的可靠性有着积极的影响。
某个控制器的损坏不会导致整个系统瘫痪。
CAN总线通信格式采用短帧格式,每帧字节数最多为8个,可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。
同时,8个字节也不会占用总线时间过长,从而保证了通信的实时性。
1.2国内外研究现状及其发展
当今国外有许多知名的汽车制造企业,如奔驰,宝马,保时捷,劳斯莱斯等公司均已采用CAN总线来实现汽车内部电控系统与各检测和执行机构间的数据通讯。
国内的一些汽车生产厂家最初虽然也尝试着在自己的产品中使用CAN,并也制造出了一些相应的产品,但在成熟度方面无疑与那些著名的厂家还有着很大的差距。
CAN总线历经20多年的发展,尤其是随着其国际标准化(IS011898)的制定,更加推动了它的发展和应用,已有INTEL,MOTOROLA,PHILIPS,SIEMENS等百余家国际大公司支持CAN总线协议。
目前,国内科技水平及整体综合技术水平达到了国际80年代中期水平。
随着微电子技术和计算机技术在仪器仪表产品中的普遍采用,约15%的产品实现了智能化,达到国际90年代水平,30%的产品实现了数字化达到了国际80年代末期水平。
通过科技攻关、联合开发、合资合作和引进技术消化吸收国产化等多种形式,使我国仪器仪表行业部分中高档主导产品缩小了与国际先进水平的差距,并形成了生产能力。
汽车所使用的发动机、自动变速器、安全气囊、ABS系统等都是现代汽车动作的核心部件,对时间响应要求严格,因而采用传输速率为1000Kbps的高速CAN通信网络。
空调控制、雨刷控制、照明控制和仪表管理控制等相对来说对实时性要求较低,采用传输速率小于125 Kbps的CAN通信网络,主控制器跨接高、低速两条总线,与各节点进行数据交换,兼起网关作用,实现网络互连。
汽车电子业最大的热点就是网络化。
”一位业内人士如此描述汽车网络的应用前景。
而CAN拥有的多主节点、开放式架构,以及错误检测及自恢复能力等优势,成为汽车网络应用的热门。
从以下一组数字中也印证了这一趋势,02年
发动机 自动变速器 ABS系统 安全气囊 高速CAN总线 车灯控制 电动座椅控制 中央门锁控制 仪表显示 中央处理器 低速CAN总线 数据,全球市场上大约有一亿只CAN收发器,平均一辆车上有12个到15个低速CAN收发器,4到5个高速CAN收发器。
一些汽车专家认为,就像在20世纪70年代引入集成电路、80年代引入微处理器一样,近10年来数据总线技术的引入也将是汽车电子技术发展的一个里程碑。
并且,随着安全性能日益受到重视,安全气囊也将逐渐增多,以前是在驾驶员前面安装一个,今后侧面与后座都会安装安全气囊,这些气囊通过传感器感受碰撞信号,通过CAN总线将传感器信号传送到一个中央处理器内,控制各安全气囊的启动弹出动作。
同时,先进的防盗设计也正基于CAN总线网络技术。
首先,确认钥匙合法性的校验信息通过CAN网络进行传递,改进了加密算法,其校验的信息比以往的防盗系统更丰富;其次,车钥匙、防盗控制器和发动机控制器相互储存对方信息,而且在校验码中搀杂随机码,无法进行破译,从而提高防盗系统的安全性。
而这些功能的实现无一不借助CAN总线来完成,CAN总线成为汽车智能化控制的“定海神针”。
在现代轿车的设计中,CAN已经成为必须采用的装置。
奔驰、宝马、大众、沃尔沃、雷诺等汽车都采用了CAN作为控制器联网的手段。
据报道,中国首辆CAN网络系统混合动力轿车已在奇瑞公司试装成功,并进行了初步试运行。
在上海大众的帕萨特和POLO汽车上也开始引入了CAN总线技术。
但总的来说,目前CAN总线技术在我国汽车工业中的应用尚处于试验和起步阶段,绝大部分的汽车还没有采用汽车总线设计。
国内在技术、设计和应用上进行网络总线的“深造”势在必行。
CAN分为高速和低速CAN总线,低速CAN的总线速度为10Kb-125Kb/s,高速为250Kb-1Mb/s。
许向东介绍,德尔福开发的CAN总线系统是将发动机控制与变速箱连接在一起,因为汽车在换档时需要发动机变换扭矩,以保持汽车行驶的平稳性。
高速CAN应用在发动机、变速箱、ABS等实时性要求强的控制模块,低速CAN主要是运用在车身控制模块领域。
然而,对于许多基本的汽车应用而言,由于CAN总线的实现成本较高,并非都需要用CAN节点来实现连接。
飞思卡尔汽车电子市场部经理康晓敦说,CAN总线的实现成本较高,做一个节点,MCU需要带CAN数字接口,至少20多元,加上CAN收发器七八元,因此一个CAN节点芯片需要30多元左右。
随着节点数的增加,这部分成本会增加许多,而LIN(局部互联网络)对MCU要求的资源很少,普通的串行口就可以做,一般LIN子节点所用的MCU只需要几元。
并且,LIN总线正是针对相对简单的应用而设计的。
因此在CAN/LIN网络中,CAN节点可连接发动机、变速箱、仪表盘等,LIN节点来连接门窗、后视镜、车灯等。
这是综合汽车成本、性能方面的权衡之举。
CAN网络的上游是向传输速率更高的Flex Ray协议发展,下游是向LIN协议发展。
Flex Ray的速率高、更加安全可靠,但实现成本目前还较高,其接口和收发器方面要求均较高,精度和复杂性更高。
因此,未来几年内CAN总线仍占据汽车网络技术的主导。
同时,为适应未来汽车多媒体娱乐系统发展的需要,未来DVD、导航仪、汽车音响将通过数据总线集成在一起,以传输移动图像,这也就需要传输速率更高、更快的网络总线。
康晓敦指出,目前市场上已开发出一种MOST标准网络,做音视频娱乐通信,它是基于光纤的通信协议,传输速率可达20多兆,在一些顶级车上已有应用。
目前做MOST总线很复杂,MOST网关需用支持多媒体的32位MCU实现,并需要大量的16位单片机做每个子系统的控制,它的应用还需汽车厂商、汽车电子厂商的共同推动。
CAN总线在未来的发展前景上,将具有如下几个方向:
(1)CAN总线将在未来的市场竟争中占有一定的优势。
(2)与企业以太网(Ethernet)的互联。
(3)与模糊控制技术和智能技术的结合。
(4)与无线技术的结合。
1.3本文组织结构
本文研究了基于CAN总线的数据通信系统的通信系统设计与实现。
内容涉及需求分析、总体设计、硬件组成结构设计、软件设计和开发、系统仿真测试等。
第二章现场总线及CAN总线技术通信标准
2.1CAN总线简介
CAN网络即控制器局域网(ControllerAreaNetwork)是德国BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局域网,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通讯网络,其总线规范已被ISO国际标准化组织制定为国际标准,并被公认为是最有前途的现场总线之一。
CAN总线的通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤,最大通信速率可达1Mbps。
其应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络,广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。
2.2CAN总线技术特点
(1)多主机方式工作,网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息,而不分主从,通信方式灵活。
(2)网络上的节点(信息)可分成不同的优先级,可以满足不同的实时要求。
(3)采用非破坏性位仲裁总线结构机制,当两个节点同时向网络上传送信息时,优先级低的节点主动停止数据发送,而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据。
(4)可以点对点、一点对多点(成组)及全局广播几种传送方式接收数据。
(5)直接通信距离最远可达6km(速率10Kbps以下)。
(6)通信速率最高可达1MB/s(此时距离最长40m)。
(7)节点数实际可达110个。
(8)采用短帧结构,每一帧的有效字节数为8个。
(9)每帧信息都有CRC校验及其它检错措施,数据出错率极低。
(10)通信介质可采用双绞线,同轴电缆和光导纤维,一般采用廉价的双绞线即可,无特殊要求。
(11)节点在错误严重的情况下,具有自动关闭总线的功能,切断它与总线的联系,以使总线上的其他操作不受影响。
2.3CAN总线通信协议
2.3.1 CAN总线的特点
CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。
其通讯介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤。
在汽车发动机控制部件、传感器等应用中,总线的位速率最大可达1Mbit/s。
CAN总线具有以下主要特性:
a.无破坏性的基于优先权竞争的总线仲裁
b.可借助接收滤波的多地址帧传送
c.具有错误检测与出错帧自动重发功能
d.数据传送方式可分为数据广播式和远程数据请求式
2.3.2 CAN总线帧格式
CAN总线通信协议包括CAN2.0A和CAN2.0B两种,它们的帧格式:
(1)CAN2.0A通信协议规定了4种不同的帧格式:
数据帧 用于节点间传递数据,是网络信息的主体,其帧格式依次包括:
帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、ACK场和帧结束。
其中数据段长度可编程0~8个字节。
远程帧 由在线单元发送,用于请求发送具有相同标识符的数据帧,其帧格式与数据帧基本相同,但没有数据场。
]
出错帧 出错帧是检测总线出错的一个信号标志,由两个不同的场构成。
第一个场由来自不同节点的错误标志叠加,第二个场为错误界定符。
CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能,保证数据通讯的可靠性。
超载帧 由超载标识和超载界定符组成,表明逻辑链路控制层要求的内部超载状态,并将由媒体访问控制层的一些出错条件而被启动发送。
用于扩展帧序列的延迟时间。
(2)CAN2.0B通信协议分为两种帧格式:
①标准帧
标准帧信息为11个字节,包括两部分:
信息和数据部分。
前3个字节为信息部分。
1字节1为帧信息。
第7位(FF)表示帧格式,在标准帧中,FF=0;第6位(RTR)表示帧的类型,RTR=0表示为数据帧,RTR=1表示为远程帧;DLC表示在数据帧时实际的数据长度。
2字节2、3为报文识别码,11位有效。
3字节4~11为数据帧的实际数据,远程帧时无效。
②扩展帧
1扩展帧信息为13个字节,包括两部分,信息和数据部分。
前5个字节为信息部分。
字节1为帧信息。
第7位(FF)表示帧格式,在扩展帧中,FF=1;第6位(RTR)表示帧的类型,RTR=0表示为数据帧,RTR=1表示为远程帧;DLC表示在数据帧时实际的数据长度。
2字节2~5为报文识别码,其高29位有效。
3字节6~13为数据帧的实际数据,远程帧时无效。
2.3.3CAN总线位仲裁技术特点
只要总线空闲,任何单元都可以开始发送报文。
要对数据进行实时处理,就必须将数据快速传送,这就要求数据的物理传输通路有较高的速度。
在几个站同时需要发送数据时,要求快速地进行总线分配。
如果2个或2个以上的单元同时开始传送报文,那么就会有总线访问冲突。
通过使用识别符的位形式仲裁可以解决这个冲突。
CAN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。
2.4本章小结
首先,CAN控制器工作于多主方式,网络中的各节点都可根据总线访问优先权(取决于报文标识符)采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据,且CAN协议废除了站地址编码,而代之以对通信数据进行编码,这可使不同的节点同时接收到相同的数据,这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强,并且容易构成冗余结构,提高系统的可靠性和系统的灵活性。
其次,CAN总线通过CAN控制器接口芯片TJA1050的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连,而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态,CANL端只能是低电平或悬浮状态。
而且,CAN具有的完善的通信协议可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现,从而大大降低系统开发难度,缩短了开发周期。
另外,与其它现场总线比较而言,CAN总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线。
这些也是目前CAN总线应用于众多领域,具有强劲的市场竞争力的重要原因。
CAN(ControllerAreaNetwork)即控制器局域网络,属于工业现场总线的范畴。
与一般的通信总线相比,CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。
由于其良好的性能及独特的设计,CAN总线越来越受到人们的重视。
它在汽车领域上的应用是最广泛的,世界上一些著名的汽车制造厂商,如BENZ(奔驰)、BMW(宝马)、PORSCHE(保时捷)和ROLLS-ROYCE(劳斯莱斯)等都采用了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。
同时,由于CAN总线本身的特点,其应用范围目前已不再局限于汽车行业,而向自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。
CAN已经形成国际标准,并已被公认为几种最有前途
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