《CAN通信协议》word版.docx
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《CAN通信协议》word版
摘要
目标跟踪技术是实现精确打击的关键技术,不仅在军事中的应用促进了信息获取的实时性、深度和广度,而且在国民经济中也的得到了广泛的应用。
结合CAN总线技术在目标跟踪系统中控制模块的使用,通过发送不同的控制命令,使目标识别模块做出相应的指令改变,实现相应的功能,丰富跟踪系统的功能,并可以有效提高了目标跟踪系统的实时性,灵活性和稳定性。
硬件结构的组成和程序软件成为实现目标跟踪系统要求的主要因素。
本次实验是在DSP芯片TMS320DM642芯片的基础上设计系统硬件结构,所以文章首先介绍了DSP技术的发展及其应用。
文中主要详细介绍了DSP芯片TMS320DM642芯片的结构特点。
并在此基础上,根据系统设计要求,完成了基于TMS320DM642的目标跟踪系统的硬件设计。
CAN总线通信技术也是目标跟踪系统中的关键技术,本文中介绍了CAN通信技术的发展,CAN协议的结构及功能,报文帧结构、通信方式等。
在基于DSP的跟踪系统上,通过写入CAN协议,实现目标跟踪的功能。
CAN总线的通讯模块也是本次实验中硬件设计的一个重点,通讯模块主要是由FPGA,CAN通信控制器,CAN保护器及USBCAN连接器组成,实现主机与CAN通讯模块的连接。
最后论文给出了跟踪系统的测试结果,结果表明了在跟踪系统中导入CAN协议实现的目标跟踪系统,可以有效提高跟踪系统的实时性、稳定性和灵活性。
最后,结合在本次实验中的获得和遇到的困难,给出了论文的总结,目标跟踪系统在跟踪性能要求方面的展望和希望CAN总线在跟踪系统中可以得到更多更好的使用。
关键词:
目标跟踪DSPTMS320DM642CAN总线通信SJM1000
Abstract
Targettrackingtechniqueisthekeytechniquetoachieveprecisionstrike.Itnotonlyimprovedthereal-timeability,depthandextendofinformationacquisitioninmilitaryapplication,butalsohasbeengotawiderangeofapplicationsinthenationaleconomy.IntegratingCANbustechnique’suseintargettrackingsystemcontrolmodule,bysendingdifferentcontrolcommands,theobjectrecognitionmoduletomaketheappropriatechangesinordertoachievethecorrespondingfunctions,sothattheflexibilityandstabilityofthetargettrackingsystemcanbeeffectivelyimproved.Thestructureofhardwarecomponentsandsoftwareprogramarethemainfactorsforachievingtherequirementsofthetargettrackingsystem.
FirstlyweintroducethedevelopmentandapplicationofDSPtechniqueasthehardwarestructureofthetargettrackingsystemisbasedonthechipTMS320DM642.Inthepaper,weintroducethestructureandthefeatureofthechipTMS320DM642detailedly.Andfinishthesignofthesystem.
Secondly,wealsointroducethedevelopmentofCANbus,thestructureandthefeatureofCANbus.thestructureofframe,theprocessofitscommunication.ThesystemcanachievethefunctionoftargettrackingbyloadingCANbusbasedonDSP.CANbuscommunicationmoduleinthehardwaredesignofthisexperimentisasakey,itisconsistofFPGA,CANCommunicationController,CANprotectorandUSBCAN,achievingtheconnectingofthecomputerandtheCANbuscommunicationmodule.Finally,theresultoftheexperimentshowsthatitcaneffectivelyimprovereal-time,stabilityandflexibilityofthesystemtouseCANbus.
Finally,combiningwiththeacquisitionandthedifficultiesinthisexperiment,
asummaryandforecastisgiven.
Keywords:
Targettracking,DSP,TMS320DM642,CANbus,SJM1000
第一章绪论
1.1课题研究背景
运动信息是生活中重要的信息来源。
数字图像处理技术自上世纪五十年代兴起以来,一直受到人们的重视并不断地发展。
尤其在进入八十年代后,随着电子技术的不断发展以及人们在视觉生理上、数学、光学等学科领域的深入研究,基于DSP的目标跟踪系统研究和应用也受到了广泛的重视。
今年来国际上爆发的各大局部战争表明,实施精确打击成为现在战争的主要作战方式,充分体现了目标跟踪技术在军事上占有的重要位置。
同时,目标跟踪技术在国民经济中也的得到了广泛的应用。
例如:
工业上:
用于工业工程控制、机器人视觉、自主运载器导航灯方面。
商用上:
用于高清晰电视及电视会议的动态图像传输中的频带压缩等方面。
医学上:
用于生物组织运动分析等方面。
气象上:
用于云图的分析预报。
运输上:
用于交通管理、运输工具的流量控制等方面。
近年来,随着CAN总线技术在车辆行业的广泛应用,联想到CAN总线技术可以目标跟踪系统中的使用,CAN总线技术使用在目标跟踪系统的控制模块,通过发送不同的控制命令,使目标识别模块做出相应的指令改变,实现相应的功能。
同时,CAN通信方式还可以在CAN总线上挂接更多的节点,并且节点彼此之间能相互通信,使得通信具有了更大的灵活性和稳定性。
根据CAN总线技术具有的用户接口简单,编程方便,很容易构成用户系统,开发系统价格低等的特点,CAN总线技术在目标跟踪系统使用简便,同时,目标跟踪系统的系统的实时性、稳定性和灵活性。
1.2目标跟踪系统国内外研究现状与发展趋势
1.2.1目标跟踪技术国内外研究现状
图像跟踪系统具有直观性、精度高、实时性、抗干扰能力强等优点,因此在军事领域的应用中占有重要地位。
图像跟踪系统最初的结构比较简单,完全靠硬件设备来实现。
系统最初采用的是模拟体制,处理复杂背景图像和智能判断的能力相对较弱,灵活性也较差,最初的跟踪系统基本谈不上可编程性。
图
像跟踪系统在最初研制的时候,只能运行简单的像质心跟踪之类的跟踪算法,并且系统的识别和跟踪也只能在目标单一并且背景简单的情况下进行。
早期图像跟踪系统的应用,例如美国研制的“铜斑蛇”导弹上就采用了这种图像跟踪系统;还有前苏联的SA-8和英国研制的“长剑”、“标枪”等系列导弹也都应用了这种跟踪系统。
图像跟踪系统的发展状况可以概括为三个阶段:
图像跟踪系统的研制最早是在60年代,起初的任务主要是攻克一些技术上的问题;70年代是图像跟踪系统的改进阶段80年代后期进入图像跟踪系统的集成阶段。
随着科学技术的发展,世界各国的军事领域都广泛使用了图像跟踪系统,使图像跟踪系统逐步升级换代。
例如WSA42O系列舰载火控系统,它就是一种图像跟踪器附加在雷达上的火控系统,该系统在1968年被英国研制成功;法国研制的VEGA舰载火控系统,该系统与雷达所配用的跟踪系统采用VidiCon摄像管,具有最佳对比度的跟踪体制,对飞机的捕获距离为11km,其跟踪精度达到0.6mrad。
通过这些例子可以看出,图像跟踪系统在军事方面做出了很大贡献。
当前的目标跟踪系统主要采用两种技术:
一是利用雷达技术进行跟踪;另一种就是利用全电视信号基于图像处理技术实现目标跟踪。
随着雷达技术的高速发展,特别是高分辨率雷达、逆合成孔径雷达、非相干雷达的先后问世,雷达目标跟踪技术得到了极大的提高。
但是由于雷达跟踪必须向外发射无线电波,然后还要接收回波,所以雷达跟踪系统对电磁干扰十分敏感,精确度较低,并且很容易被侦测到,隐蔽性较差。
而基于图像处理的电视跟踪系统,工作时只由摄像头接受光信息,不向外发射无线电被,不会被对方的电子侦察装置发现,也不会受到对方的电子干扰装置施放的干扰所影响;由于从电视监视器上能直接看到目标图像,因而能可靠地辨认目标,精确度高。
并且随着数字信号处理技术的发展,以及高性能数字信号处理器的出现,图像跟踪技术的实用性和灵活性等优势都逐渐凸现出来,它不仅在军事领域内被广泛的使用,而且在工业生产上或管理部门中都得到越来越多的应用。
1.2.2目标跟踪系统中CAN通信技术国内外研究现状
CAN最初出现在80年代末的汽车工业中。
当时,由于消费者对于汽车功能的要求越来越多,而这些功能的实现大多是基于电子操作的,这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂,同时意味着需要更多的连接信号线。
为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯,减少不断增加的信号线,Bosch公司提出了一种新型的串行总线——控制器局域网(ControlAreaNetwork,CAN),这也是CAN诞生的时刻。
它的提出方便了汽车环境中的微控制器通讯,车载电子控制装置ECU之间的交换信息,形成汽车电子控制网络。
比如:
发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中,均嵌入CAN控制装置。
目前全球各大汽车制造商在上世纪90年代后期研发的汽车(乘用车和商用车)都采用了CAN总线或者车中的部分零件具有CAN总线通信功能。
以CAN总线为代表的车用总线技术已成为全球各大汽车制造商实施平台战略和模块化战略的重要措施之一。
此时,总线对于全球汽车工业的意义已远远超过节省线束和连接插件。
总线已成为现代汽车传输整车控制信息的神经网络。
介于以CAN总线为代表的车用总线技术在现代汽车工业的重要性,目前不仅全球各大汽车制造商建立了相应的总线研发部门,并制定了相应的总线企业标准,例如通用汽车公司以CAN总线为基础指定了该公司的CAN总线标准GMLAN,而且在新车设计之初总线研发部门就开始介入。
一些技术先进的国家还成立了汽车总线标准化组织并推出总线标准,如美国汽车工程师学会(SAE),基于CAN总线制定了商用车总线标准J1939。
部分国家相关政府部门和高校也在开展总线基础性研究,如美国联邦机动车安全管理局、德国应用科技大学的C&S实验室等。
另有一些与专业公司也在专注于总线工具的研发,如全球著名汽车总线工具提供商德国VECTOR公司。
此外,还有一些与总线相关的零部件商正根据主机厂的标准和规范研发具有总线通信功能的零部件。
由于CAN总线本身的特点特别是具有很高的实时性能,其应用范围目前已经不再局限汽车行业,而向过程工业、航空工业、机械工业、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械、安全防护等领域发展。
1993年,CAN成为国际标准ISO11898(高速应用)和ISO11519(低速应用),被公认为几种最有前途的现场总线之一。
目前识别系统中的控制模块一般采用CAN总线通信方式,通过发送不同的控制命令,使目标识别模块做出相应的指令改变,实现相应的功能。
同时,CAN通信方式还可以在CAN总线上挂接更多的节点,并且节点彼此之间能相互通信,使得通信具有了更大的灵活性和稳定性。
1.3研究内容及目标
目标跟踪是实现精确打击的关键技术。
而目标跟踪仪器是实现目标跟踪的仿真和测试设备,其中功能实现和结构设计是仪器的是关键问题之一。
本文主要实现目标跟踪仪器的结构设计和CAN总线通信协议、进而完成目标跟踪仪的研制。
主要研究内容如下:
(1)目标跟踪仪器的结构设计,功能实现;
(2)硬件设计控制板实现CAN通讯协议及与DM642的CAN总线的通信功能;
(3)实现对目标跟踪仪器结构设计并对相关功能进行测试,给出设计结果和实验测试结果。
1.4本文章节安排
本文研究项目是目标跟踪仪器的结构设计和CAN总线通信协议,目标跟踪仪器是基于DSP芯片TMS320DM642实现的,CAN协议主要用于控制部分,最终实现跟踪目标的功能。
本文的章节安排如下:
第一章绪论。
引入课题研究背景,介绍目前国内外目标跟踪技术发展的现状及国内外对CAN通信技术在目标跟踪系统中使用的研究的现状。
第二章DSP技术。
介绍DSP系统的结构、特点及其发展,主要说明DSP芯片TMS320DM642的结构、功能,为第四章目标跟踪系统的硬件设计奠定理论基础。
第三章CAN总线通信技术技术。
介绍了CAN总线出现的背景和发展,特点及其优势。
从CAN协议的结构及功能,CAN报文的帧结构,CAN的通信方式等方面深入分析CAN总线的协议。
并且比较CAN与其它通信方案,更好的体现出CAN总线在通信方向占有的优势。
第四章目标跟踪系统的硬件结构和CAN通信系统的硬件设计。
根据目标要求设计出
CAN通信的硬件框图,并详细介绍系统中使用的芯片及其在系统中的作用。
第五章目标跟踪系统CAN通信的程序设计。
在目标跟踪系统CAN通信的硬件结构的基础上,通过编入程序实现他们之间的联系。
实验结果证明在DSP目标跟踪系统的基础上,使用CAN通信技术,提高系统的实时性、稳定性和灵活性。
第六章总结与展望。
总结了本文的主要研究内容和研究取得的成果,并对自己和现阶段已有的提出了一些需要进一步研究的问题。
第二章DSP技术
数字信号处理(DigitalSignalProcessing,简称DSP)是利用计算机或专用处理设备,以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理,已得到符合人们需要的信号形式,它是一门涉及广泛并广泛使用于许多领域的新兴学科。
DSP芯片也称为将数字信号处理器,一种具有特殊结构的微处理器。
DSP芯片内部采用程序和数据分开的哈佛结构,具有专门的硬件乘法器,广泛采用流水线操作,提供特殊的DSP指令,可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。
2.1DSP技术
2.1.1DSP系统构成
如图2-1所示为一个典型的DSP系统,图中的输入信号可以有各种各样的形式。
例如,它可以是麦克风输出的话音信号或是电话线来的已调数据信号,也可以是编码后在数字链路上传输或存储在计算机里的摄像机图像信号等。
输入信号首先进行带限滤波和抽样,然后进行模/数(AnalogtoDigital)变换,将信号变成数字比特流。
根据奈奎斯特抽样定理,为保证信息不丢失,抽样频率至少必须是输入带限信号最高频率的2倍。
DSP芯片的输入时A/D变换后得到的以抽样形式表示的数字信号,DSP芯片对输入的数字信号进行某种形式的处理,如进行一系列的乘累加操作(MAC)。
数字处理是DSP的关键,这与其他系统(如电话交换系统)有很大的不同,在交换系统中,处理器的作用是进行路由选择,它并不对输入数据进行修改。
因
此虽然两者都是实时系统,但两者的实时约束条件却又很大的不同。
最后,经过处理的数字样值再经数/模(DigitaltoAnalog)变换转换为模拟样值,之后在进行内插和平滑滤波就可的连续的模拟波形。
2.1.2DSP系统的特点
数字信号处理系统是以数字信号处理为基础,因此具有数字处理的全部特点。
(1)DSP系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的,这样的系统接口实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口要容易得多,这些特点便于系统设备之间的连接和系统功能的扩展。
(2)DSP系统以数字处理为基础,受环境温度以及噪声的影响较小,可靠性高。
同时,模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大,而数字系统基本上不受影响,因此数字系统便于测试,调试和大规模生产。
(3)系统中的可编程DSP芯片可是设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级。
当然,数字信号处理系统也存在一定的缺点。
例如,对于简单的信号处理任务,A/D与D/A变换模块可能增加系统的复杂度。
DSP系统中的频率可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题,而且DSP系统消耗的功率也较大。
此外,DSP技术更新的速度快,数学知识要求多,开发和调试工具还不尽完善。
2.1.3DSP芯片的应用
自DSP芯片诞生以来,其应用得到了快速的发展。
DSP芯片的高速发展,一方面得益丁集成电路的发展,另一方面也源于巨大的市场需求。
可以毫不夸张地说,在目前的数字化领域,音频和视频方面DSP芯片的应用将无所不能、无处不在。
在无线领域,DSP芯片遍及无线交换设备、基站、手持终端和网络领域,并涵盖从骨干基础设施到宽带入户的设备,包括基于因特网(IP)语音传送(VoIP)网关和IP电话、数字用户线(DSL)和电缆调制解调器(CableModem)等。
面向群体应用,DSP芯片在媒体网关、视频监控、专业音响、数字广播等应用中表现出色;在个人应用中,DSP芯片在便携式数字音频和影像播放器、指纹识别和语音识别等应用中表现不俗;针对嵌入式数字控制应用,DSP芯片极大地满足了工业界的需求,如数字变频电力电源设备、工业缝纫机等;DSP
芯片极大的满足了消费类电子产品的需求,如空调、冰箱、洗农机等。
2.2TMS320DM642芯片
2.2.1DM64X系列技术特点
1、速度更快
600MHz时钟频率(最高可达720MHz),4800MIPS处理能力,每个指令周期可以并行执行8条32位的指令;改进的VLlW(超长指令字)DSP核,CPU包含64个32位的通用寄存器和8个功能单元;可以在一个指令周期内完成乘累加运算:
增强的DMA控制器(EDMA),具有“64个独立的DMA通道,可以与CPU并行工作;多总线结构,可同时完成指令、数据、地址的传输;EMIFA,EMIFB总线速度最大达到133MHz。
2、存储容量大且扩展方便
1056KB的片内存储器,其中2个16KB的只能CPU寻址的一级程序、数据存储Cache(LIP,LID)构成了哈佛结构,一个1024KB的可寻址的二级存储器,可配置成存储器映射空间和Cache;两个外部存储器接H(EMIF),1个64位数据宽度EMIFA,一个16位数据宽度EMIFB。
支持同步存储器(SDRAM,SBRAM,ZBTSRAM)和非同步存储器(SRAM,EPROM,FLASH等)的无缝接口。
3、通信能力强
32/16位主机接口(HPI);三个可配置的视频端口(VP);一个多通道音频串行口(McASP);两个多通道串行接口(McBSP);16个通用I/O口(GPIO);一个10/100Mb/s以太网接口(EMAC)。
4、功耗低
DM642是BGA(球栅阵列)封装,IO口仅需3.3V、内核电压也仅需1.4V,整个功耗只有1.06W.
主要外围设备包括:
1)3个可配置的视频接口,可以和视频输入/输出或传输流输入无缝连接。
2)VCXO内插控制端(VIC)。
3)10/100Mb/s以太网口(EMAC)。
4)数据管理输入疏忽模块(MDIO)。
5)多通道音频串行端口(McASP)。
6)总线模块。
7)两个多通道有缓存的串口(McBSPs)。
8)3个32b通用定时器。
9)用户可配置的16b或32b的主端口接口(HPI16/HPI32)。
10)6MHz的32b的PCI接口。
11)通用I/O端口(GPIO)。
12)64b的外部存储单元接口,支持和同步或异步存储单元的连接。
2.2.2DM64XCPU单元
DM64XCPU的组成部分为:
1)两个通用寄存器组(A和B,各32个32b通用寄存器)。
2)8个功能单元(.L1、.L2、.S1、.S2、.M1、.M2、.D1、.D2)。
3)两个从内存读数据的数据通道(LD1和LD2)。
4)两个写内存的数据通道(ST1和ST2)。
5)两个数据地址通道(DA1和DA2)。
6)两个寄存器组数据交叉通道(1x和2x)。
2.2.3DM642两级缓存机制
在DM642中,采用了两级缓存机制,其方块图如图2
CPU和一级程序高速缓存(LIP)及一级数据高速缓存(LID)直连,两块Cache均为16KB,工作在CPU全速访问状态。
可配置的二级缓存(L2)有256KB,它是数据和程序共用的,可以全部配置为Cache,也可以全部配置为外部内存的映射SRAM,还可以将两种方式按比例混合进行配置。
2.2.4IIC总线
DM642中含有I2C(Inter-IntegratedCircuit)模块,它提供了DSP与其他符合Philips半导体I2C规范V2.1的兼容器件的接口。
TMS320DM642上的I2C模块用来控制外围芯片(DACs、ADCs等)。
中断信号可以是:
传输数据准备好中断、接收数据准备好中断、寄存器可以访问中断、没有应答信号中断、仲裁丢失中断。
1.DM642的I2C模块通过配置其内部寄存器来控制外围设备,以实现各种功能,其方块图如图2-3所示。
图2-3I2C模块框图
2.12C总线是一个多主机的总线,它可以连接多于一个能控制总线的器件到总线,这突出了I2C总线的主机一从机和接收机一发送器的关系(主机通常是微控制器)。
传输数据的过程如下:
(1)假设微控制器A要发送信息到微控制器B:
●微控制器A(主机)寻址微控制器B(从机);
●微型控制器A(主机一发送器)发送数据剑微控制器B(从机一接收机);
●微型控制器A终止传输。
(2)如果微控制器A想从微控制器B接收信息:
●微控制器A(主机)寻址微控制器B(从机):
●微控制器A(主机一接收器)从微控制器B(从机一发送器)接收数据;
●微控制器A终止传输。
甚至在这种情况下,主机(微控制器A)也产生定时而且终止传输。
连接多于一个微控制器到I2C总线的可能性意味着超过一个主机可以同时尝试初始化数据传输。
为了避免由此产生的混乱,发展出一个仲裁过程。
它依靠线与连接所有I2C总线接口到I2C总线。
如果两个或多个主机尝试发送信息到总线,在其他主机都产生“0”的情况下,首先产生一个“l”的主机将丢失仲裁。
仲裁时的时钟信号是用线与连接到SCL线的主机产生的同步结合。
在I2C总线上产生时钟信号通常是主机器件的责任;当在总线上传输数据时,每个主机产生自己的时钟信号。
主机发出的总线时钟只有在以下的情况才能被改变:
慢速的从机器件控制时钟线并延长时钟
3.数据有效性
图2-4I2C总线的位数据
当
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