基于单片机的CAN总线通讯实现.docx
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基于单片机的CAN总线通讯实现
CAN总线通信基于51单片机运用
第一章媒介
控制器局域网(CAN-ControllerAreaNetwork)属于现场总线(Fieldbus)的范畴,是浩瀚的属于现场总线尺度之一,它实用于工业控制体系,具有通信速度高.靠得住性强.衔接便利.机能价钱比高级诸多特色.它是一种有效支撑散布式控制或及时控制的串行通信收集,以其短报文帧及CSMA/CD-AMP(带有信息优先权及冲突检测的载波监听多路拜访)的MAC(序言拜访控制)方法而倍受工业主动化范畴中装备互连的厚爱.CAN的运用范围普遍从高速收集到低成本的多线路收集,它可以运用于汽车体系.机械.技巧装备和工业主动化里几乎任何类型的数据通信.
跟着盘算机硬件.软件及集成电路技巧的敏捷成长,同时花费类电子产品.盘算机外设.汽车和工业运用等的需求不竭增长.高速.高靠得住和低成本的通信介质的请求也随之进步.现场总线是当今主动化范畴技巧成长的热门之一,它为散布式控制体系实现各节点之间及时.靠得住的数据通信供给了强有力的技巧支撑.
微处理器中经常运用的串行总线是通用异步吸收器传输总线(UART).串行通信接口(SCI).同步外设接口(SPI).内部集成电路(I2C)和通用串行总线(USB),以及车用串行总线,包含控制器区域网(CAN)和当地互连网(LIN)等.这些总线在速度.物理接口要乞降通信办法学上都有所不合.
在盘算机数据传输范畴内,长期以来运用的通信尺度,尽管被普遍运用,但是无法在须要运用大量的传感器和控制器的庞杂或大范围的情形中运用.控制器局部网CAN(CONTROLLERAERANETW0RK)就是为顺应这种须要而成长起来的.跟着汽车电子技巧的成长,花费者对于汽车功效的请求越来越多,汽车上所用的电控单元不竭增多,电控单元之间信息交流的需求,使得电子装配之间的通信越来越庞杂,同时意味着须要更多的衔接旌旗灯号线,这就促进了车用总线技巧的成长.CAN总线的消失,就是为了削减不竭增长的旌旗灯号线,所有的外围器件都可以被衔接到总线上因为CAN总线具有靠得住性高.及时性好.成本合理等长处,逐渐被运用于如船舶.航天.工业测控.主动化.电力体系.楼宇监控等其他范畴中.
1.2CAN总线的特色
80年月末,在汽车工业中,因为浩瀚的控制装备与测试仪器之间须要进行大量数据交流,传统的总线无法知足需求,德国BOSCH公司提出了CAN总线,这种新的串行数据通信协定.CAN总线即控制器局域网总线,通信接口中集成了CAN协定的物理层和数据链路层功效,可完成对通信数据的成帧处理,包含位填充.数据块编码.轮回冗余磨练.优先级判别等项工作.
CAN(ControllerAreaNetwork)属于现场总线的一种,在传统的工业控制范畴中,大部分的通信采取RS232.RS485或RS422总线.比拟之下,RS232.RS485或RS422总线有着通信距离近,通信速度慢,抗干扰机能差等缺陷.通信一般采取主从方法,经由过程主站查询方法进行通信,及时性.靠得住性较差.当体系有错误,多节点同时向总线发送数据时,导致总线呈现短路,从而破坏某些节点.基于CAN总线的散布式控制体系在许多方面具有明显的优胜性.L而CAN的电路构造简略,请求的线数较少,只须要两根线与外部器件互联,使得各控制单元可以或许经由过程CAN总线共享所有的信息和资本.达到简化布线.削减传感器数目.防止控制功效反复的后果.CAN具有的完美的通信协定,并且可以经由过程CAN控制器芯片及其接口芯片来实现,从而大大降低体系开起事度,缩短了开辟周期.
CAN支撑散布式控制或及时控制,工作于多主方法,收集上各个节点均可以在任一时刻主动发送信息,可以点对点,点对多点以及全局广播方法收发数据.收分散的各节点都可依据总线拜访优先权,采取非破坏性总线总裁技巧,通信速度快,靠得住性高,可大大节俭了总线仲裁冲突时光,在收集负载很重的情形下也不会消失收集瘫痪.CAN没有采取站地址编码,而是对通信数据进行编码,这可使不合的节点同时吸收到数据,这使得CAN总线的数据通信及时性强,并且轻易构成冗余构造,进步体系的靠得住性和体系的灵活性.
它具有如下特色:
1)CAN是到今朝为止为数不久不多的有国际尺度的现场总线,总线协定已被国际尺度化组织认证,技巧比较成熟,控制的芯片已经商品化,性价比高,特别实用于散布式测控体系之间的数通信.
2)CAN总线没有采纳传统的站地址编码,不合错误节点进行地址划定,而是把通信数据块进行编码.这种办法的长处可使收集内的节点个数在理论上不受限制,数据块的标识码可由1l位或29位二进制数构成.这种按数据块编码的方法,运用报文的标识符来指定报文的优先级以及报文的内容,高优先级的节点享有传送报文的优先权.还可使不合的节点同时吸收到雷同的数据,这一点在散布式控制体系中异常有效.采取短帧构造,每一帧的有效字节数为8个,数据传输时光短,受干扰的概率低,从新发送的时光短,从而包管了通信的及时性.
3)CAN总线采取了多主竞争式总线构造,通信介质可所以双绞线.同轴电缆或光导纤维,可以多个主站运行并且疏散仲裁.CAN总线上随便率性节点可以点对点,一对多及广播分散方法传送和接收数据,并且可以随便率性时刻主动地向收集上其它节点发送信息而不分主次,是以可在各节点之间实现自由通信.CAN通信距离最大是1O公里(设速度为5Kbps),最大通信速度为1Mbit/s(设通信距离为4O米).
4)CAN采取非破坏性的总线仲裁技巧,即载波侦听多路拜访/冲突检测(CSMA/CD)的总线仲裁方法,当多个节点同时发送数据时,优先级低的节点会主动停滞发送,高优先级的节点可中断传输,节俭总线仲裁时光.防止多个节点同时开端发送新闻而造成总线冲突,包管优先级高的报文可以或许优先发送.
5)CAN总线协定采取了完美的错误检测与错误处理机制,包含了CRC校验.错误报文主动重发.错误状况断定.暂时错误主动恢复等措施,从而很好的包管了数据通信的靠得住性.节点在错误轻微的情形下,具有主动关黔
6)闭总线的功效,割断它与总线的接洽,以使总线上其他操纵不受影响.CAN总线采取双线串行通信方法,检错才能强,可在高噪声干扰情形中工作.具有及时性强.传输距离较远.抗电磁干扰才能强.成本低等长处.可依据报文的ID决议吸收或屏障该报文.靠得住的错误处理和检错机制,发送的信息遭到破坏后,可主动重发,报文不包含源地址或目标地址,仅用标记符来指导功效信息.优先级信息.CAN卓著的特点.极高的靠得住性和奇特的设计,特别合适工业进程监控装备的通信,是以,越来越受到工业界的看重,并已公以为最有前程的现场总线之一.
CAN总线经由过程CAN控制器接口芯片的输出端CANH和CANL与物理总线相连,而CANH端的状况只能是高电平或悬浮状况,CANL端只能是低电平或悬浮状况.CAN总线的旌旗灯号状况为2种,隐位与显位.当隐位与显位发送消失竞争时,最终成果是显位.在处理冲突时,因为该旌旗灯号的二值且“单稳态”的特点变得简略,报错帧可以使所有节点很轻易地取得一致性的数据,并且包管了节点状况的同步,这种二值特点对CAN总线的靠得住性有很大包管.并且CAN节点在消失轻微错误的情形下,可以主动封闭输出,防止总线上其他节点的操纵受影响,从而包管不会因个体节点消失问题,而使得总线处于”逝世锁”状况.CAN总线具有位填充.回读.错误束缚.出错主动重发等长处,同时通信速度高.通信距离远.轻易实现.且性价比高.
1.3CAN总线的成长远景
CAN最初是用于汽车行业的监测.控制,用来解决汽车内部的庞杂硬件旌旗灯号接线的低成本通信总线,现今CAN总线已经被公以为一种靠得住的收集总线在汽车上得以运用.CAN总线共享信息和资本,总线的数据通信进步了体系靠得住性.及时性.灵活性.可保护性,更好地匹配和调和各个控制体系.
跟着汽车电子技巧的成长具有高度灵活性.简略的扩大性.优秀的抗干扰性和处理错误才能的CAN总线,越来越受到人们的看重,它在汽车范畴上得到了普遍的运用.世界上一些有名的汽车制作厂商,都采取了CAN总线来实现汽车内部控制体系与各检测和履行机构间的数据通信.近年来CAN总线已成长成为汽车电子体系的主流总线,已形成国际尺度的现场总线,并由ISO正式颁布了IS011898CAN高速运用尺度和ISO11519CAN低速运用尺度,这为CAN总线的尺度化.规范化摊平了道路.CAN总线以其高机能,高靠得住性及奇特的设计,在现代散布式测量与控制技巧范畴中的运用已愈来愈普遍.同时因为CAN总线自身的特色,其运用范围今朝已不再局限于汽车行业,而是转向铁路.交通.主动控制.航空航天.帆海.机械工业.机械人.医疗器械及安防等范畴成长.
CAN总线的成长已经颇具范围,它不但在汽车范畴的运用占领必定优势,在其他工业范畴内也占领一席之地.这要归根于通信技巧的不竭进步,对通信本身的请求不竭进步,这种形势下CAN总线的优势在于其优胜的抗干扰才能和性价比.尽管CAN总线有必定局限,甚至还有破绽,但对CAN总线的改良还在中断,信任在将来的成长中,CAN总线经由过程不竭的更新和改良,可以或许取得更大的进步.
第2章体系计划总体设计
2.1体系道理
当CAN总线上的一个节点(站)发送数据时,它以报文情势广播给收分散所有节点.对每个节点来说,无论数据是否是发给本身的,都对其进行吸收.每组报文开首的11位字符为标识符,界说了报文的优先级,这种报文格局称为面向内容的编址计划.在同一体系中标识符是独一的,不成能有两个站发送具有雷同标识符的报文.当几个站同时竞争总线读取时,这种设置装备摆设十分重要CAN总线的报文发送和吸收.当一个站要向其它站发送数据时,该站的CPU将要发送的数据和本身的标识符传送给本站的CAN芯片,并处于预备状况;当它收到总线分派时,转为发送报文状况.CAN芯片将数据依据协定组织成必定的报文格局发出,这时网上的其它站处于吸收状况.每个处于吸收状况的站对吸收到的报文进行检测,断定这些报文是否是发给本身的,以肯定是否吸收它.
因为CAN总线是一种面向内容的编址计划,是以很轻易树立高水准的控制体系并灵活地进行设置装备摆设.我们可以很轻易地在CAN总线中加进一些新站而无需在硬件或软件长进行修正.当所供给的新站是纯数据吸收装备时,数据传输协定不请求自力的部分有物理目标地址.它许可散布进程同步化,即总线上控制器须要测量数据时,可由网上获得,而无须每个控制器都有本身自力的传感器.
2.2体系总体设计方框图
图2-1体系总体设计方框图
2.2.151单片机
体系的控制芯片采取AT89S52单片机来控制,因为AT89S52运用比较普遍,并且成本低,操纵控制简略,功耗较低,运行靠得住性强.体系本身对处理器处理速度的请求不是很高,所以选择该款单片机.
AT89S52是一种低功耗.高机能CMOS8位微控制器,具有8K在体系可编程Flash存储器.运用Atmel公司高密度非易掉性存储器技巧制作,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容.片上Flash许可程序存储器在体系可编程,亦适于通例编程器.在单芯片上,失去灵活的8位CPU和在体系可编程Flash,使得AT89S52为浩瀚嵌入式控制运用体系供给高灵活.超有效的解决计划.AT89S52具有以下尺度功效:
8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗准时器,2个数据指针,三个16位准时器/计数器,一个6向量2级中断构造,全双工串行口,片内晶振及时钟电路.别的,AT89S52可降至0Hz静态逻辑操纵,支撑2种软件可选择节电模式.余暇模式下,CPU停滞工作,许可RAM.准时器/计数器.串口.中断中断工作.掉落电呵护方法下,RAM内容被保管,振荡器被冻结,单片机一切工作停滞,直到下一个中断或硬件复位为止.
图2-2AT89S52引脚构造
图2-3AT89S52内部构造图
ØVCC:
电源
ØGND:
地
ØP0口:
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口.作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平.对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入.当拜访外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用.在这种模式下,P0具有内部上拉电阻.在flash编程时,P0口也用来吸收指令字节;在程序校验时,输出指令字节.程序校验时,须要外部上拉电阻.
ØP1口:
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平.对P1端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输进口运用.作为输入运用时,被外部拉低的引脚因为内部电阻的原因,将输出电流(IIL).此外,P1.0和P1.2分离作准时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和时器/计数器2的触发输入(P1.1/T2EX),具体如下表所示.在flash编程和校验时,P1口吸收低8位地址字节.
表2-1P1口引脚功效
引脚号
第二功效
P1.0T2
(准时器/计数器T2的外部计数输入),时钟输出
P1.1T2EX
(准时器/计数器T2的捕获/重载触发旌旗灯号和偏向控制)
P1.5MOSI
(在体系编程用)
P1.6MISO
(在体系编程用)
P1.7SCK
(在体系编程用)
ØP2口:
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平.对P2端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输进口运用.作为输入运用时,被外部拉低的引脚因为内部电阻的原因,将输出电流(IIL).在拜访外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器(例如履行MOVX@DPTR)时,P2口送出高八位地址.在这种运用中,P2口运用很强的内部上拉发送1.在运用8位地址(如MOVX@RI)拜访外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容.在flash编程和校验时,P2口也吸收高8位地址字节和一些控制旌旗灯号.
ØP3口:
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平.对P3端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输进口运用.作为输入运用时,被外部拉低的引脚因为内部电阻的原因,将输出电流(IIL).P3口亦作为AT89S52特别功效(第二功效)运用,如下表所示.在flash编程和校验时,P3口也吸收一些控制旌旗灯号.
表2-2P3口引脚功效
引脚号
第二功效
P3.0RXD
(串行输入)
P3.1TXD
(串行输出)
P3.2INT0
(外部中断0)
P3.3INT0
(外部中断0)
P3.4T0
(准时器0外部输入)
P3.5T1
(准时器1外部输入)
P3.6WR
(外部数据存储器写选通)
P3.7RD
(外部数据存储器写选通)
ØRS:
复位输入.晶振工作时,RST脚中断2个机械周期高电平将使单片机复位.看门狗计时完成后,RST脚输出96个晶振周期的高电平.特别存放器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功效无效.DISRTO默认状况下,复位高电平有效.
ØALE/PROG:
地址锁存控制旌旗灯号(ALE)是拜访外部程序存储器时,锁存低8位地址的输出脉冲.在flash编程时,此引脚(PROG)也用作编程输入脉冲.在一般情形下,ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲,可用来作为外部准时器或时钟运用.然而,特别强调,在每次拜访外部数据存储器时,ALE脉冲将会跳过.假如须要,经由过程将地址为8EH的SFR的第0地位“1”,ALE操纵将无效.这一地位“1”,ALE仅在履行MOVX或MOVC指令时有效.不然,ALE将被微弱拉高.这个ALE使能标记位(地址为8EH的SFR的第0位)的设置对微控制器处于外部履行模式下无效.
ØPSEN:
外部程序存储器选通旌旗灯号(PSEN)是外部程序存储器选通旌旗灯号.当AT89S52从外部程序存储器履行外部代码时,PSEN在每个机械周期被激活两次,而在拜访外部数据存储器时,PSEN将不被激活.EA/VPP:
拜访外部程序存储器控制旌旗灯号.为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令,EA必须接GND.为了履行内部程序指令,EA应当接VCC.在flash编程时代,EA也吸收12伏VPP电压.
ØXTAL1:
振荡器反相放大器和内部时钟产生电路的输入端.
ØXTAL2:
振荡器反相放大器的输出
2.2.2CAN总线收发器
PCA82C250是CAN协定控制器和物理总线的接口这个器件对总线供给不合的发送才能和对CAN控制器供给不合的吸收才能.
图2-482C250引脚构造
表2-382C250引脚管脚功效描写
标识表记标帜
管脚
功效描写
TXD1
1
发送数据输入
GND2
2
接地
VCC3
3
供给电压
RXD4
4
吸收数据输出
Vref5
5
参考电压输出
CANL6
6
低电平CAN电压输入/输出
CANH7
7
高电平CAN电压输入输出
RS
8
8Slope电阻输入
图2-582C250方框图
功效描写:
PCA82C50是CAN协定控制器和物理总线的接口,它重要用于汽车里的高速运用(高达1Mbaud).这个器件对总线供给不合的发送才能和对CAN控制器供给不合的吸收才能完全和ISO11898尺度兼容.限制的电流值呵护吸收器输出级,防止阳极和阴极的短路,尽管在默认的前提下功率消费是增长的这个特点值将防止发送器输出级的破坏.假如节点温度超出大约160摄氏度,发送器限制的电流值输出被降低因为发送器占去大部分的功率消费,这将导致降额功耗和较低的片内温度,IC中的其它部分在运用中将保持不变,当总线短路的时刻热呵护异常须要.这个CANHCANL线也被呵护防止主动运作进程中电流的瞬变.
表2-4CAN收发器真值表
供给
TXD(发送)
CANH
CANL
总线状况
RXD吸收
0
高
低
控制
0
1(或悬空)
悬空
悬空
吸收
1
<2V(未上电)
X
悬空
悬空
吸收
X
>0.75VCC
悬空
悬空
吸收
X
X
若悬空
若悬空
吸收
X
留意:
X=随便值
表2-5管脚RS真值表
在RS管脚上
强迫前提模式
在RS管脚上电压和电流
备用
IRS<|10A|
10A 斜率控制 高速 IRS<500A 管脚8RS有三种不合的工作模式可被选择: 高速,备用,斜率控制. 对于高速工作模式,发送器输出级晶体管被尽可能地快启动和封闭,在这种模式下,没有措施用于限制上升和降低的斜度.建议运用屏障电缆可防止RFI这种问题. 经由过程把管脚8接地选择这个模式.对于低速或较短的总线长度,可运用一种没有屏障的双绞线或平行线.对于降低RFI,上升和降低的斜率是个限制值,上升和降低的斜率可以或许被编程,经由过程从管脚8接一个电阻至地,这个斜率和管脚8的电流输出成比例. 假如高电平被接至管脚8,电路进入低电流呵护模式.在这种模式下,发送器被封闭,吸收器开至低电流.假如控制位被检测(不合的总线电压<0.9V),RXD将被开至低电平. 这个微型控制器应对这个前提有所反响,经由过程转换收发器至正常工作状况.(经由管脚8)因为这个吸收器在备用模式下比较慢,第一条信息会丧掉掉落. 2.2.3CAN总线控制器 CAN总线控制器选用SJA1000,SJAl000是一个自力的控制器,有两种不合的模式. (1)BasicCAN模式: 体系上电后默认的模式,与PCA82C200兼容. (2)PeliCAN模式: 支撑CAN2.0B协定划定的所有功效. 图2-6SJA1000引脚构造 SJAl000功效模块重要有: 接口治理逻辑.吸收FIFO队列.吸收滤波器.发送缓冲器和CAN焦点模块.CAN焦点模块基于CAN2.0B的协定履行对CAN帧的发送和吸收.逻辑治理接话柄现与外部单片机的衔接.SJAlO00的发送缓冲器可以存储一个完全的报文,当单片机开端一个传送时,逻辑治理接口会使CAN焦点模块读发送缓冲器的数据,按照CAN2.OB协定发送数据.当收到一个报文时,cAN焦点控制模块将中断的位转换为尺度的数据存放于吸收过滤器中,经由过程验收码存放器.验收屏障存放器进行过滤处理,将相符标记位请求的数据放人吸收FIF0队列中 以下为SJA1000芯片的特色: ◆管脚及电气特点与自力CAN总线控制器PCA82C200兼容; ◆软件与PCA82C200兼容(缺省为根本CAN模式); ◆扩大吸收缓冲器(64字节FIFO); ◆支撑协定; ◆同时支撑11位和29位标识符; ◆位通信速度为1Mbits/s; ◆加强CAN模式(PeliCAN); ◆采取24MHz时钟频率; ◆支撑多种微处理器接口; ◆可编程CAN输出驱动设置装备摆设; ◆工作温度范围为-40~+125℃. 图2-7SJA1000内部构造图 从芯片的构造图中可以看出,SJA1000型自力CAN总线控制器由以下几部分构成: (1)接口治理逻辑: 它吸收来自微处理器的敕令,控制CAN存放器的地址,并为微处理器供给中断和状况信息. (2)发送缓冲器: 有13字节长.它位于CPU和位流处理器(BSP)之间,能存储一条将在CAN总线上发送的完全的报文,报文由CPU写入,由SBP读出. (3)吸收缓冲器(RXB.RXFIFO): 它是CPU和吸收滤波器之间的接口,用来存储从CAN总线吸收并经由过程了滤波的报文.吸收缓冲器RXB是供给应CPU可拜访的13字节的窗口,这个窗口是属于吸收FIFO(RXFIFO)的一部分,共由64字节长.有了这个FIFO,可以在CPU处理一个报文的同时中断吸收其他到来的报文. (4)吸收滤波器: 它把报文头中的标识符和吸收滤波存放器中的内容进行比较,以断定文报文是否被吸收.假如被吸收,报文存入RXFIFO. (5)位流处理器: 它是一个控制发送缓冲器.RXFIFO并行数据和CAN总线(串行数据)之间数据的序列产生器,同时它也履行错误检测.仲裁.位填充和CAN总线错误处理功效. (6)位准时逻辑不: 它将SJA1000同步于CAN总线上的位流. (7)错误治理逻辑: 它按照CAN协定完成错误界定. 2.2.4光耦合器 6N137光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器,其内部有一个850nm波长AlGaAsLED和一个集成检测器构成,其检测器由一个光敏二极管.高增益线性运放及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管构成.具有温度.电流和电压抵偿功效,高的输入输出隔离,LSTTL/TTL兼容,高速(典范为10MBd),5mA的微小输入电流. 图2-86N137引脚构造 特点: ①转换速度高达10MBit/s; ②摆率高达10kV/us; ③扇出系数为8; ④逻辑电平输出; ⑤集电极开路输出; 工作参数: 最大输入电流,低电平: 250uA最大输入电流,高电平: 15mA最大许可低电平电压(输出高): 0.8v最大许可高电平电压: VCC最大电源电压.输出: 5.5V扇出(TTL负载): 8个(最多)工作温度范围: -40°Cto+85°C典范运用: 高速数字开关,马达控制体系和A/D转换等. 旌旗灯号从脚2和脚3输入,发光二极管发光,经片内光通道传到光敏二极管,反向偏置的光敏管光照后导通,经电流-电压转换后送到与门
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