多通道实时CAN总线模拟器设计

    CAN总线与一般的串行通信总线相比，它的数据通信具有可靠性高，实时性高，灵活性强等优点，不仅广泛应用于汽车行业，而且扩展到了机械工业、机器人、数控机床等诸多领域。尤其在大量数据通信处理中，高可靠性及实时响应的场合，单通道CAN总线不能满足实际通信的要求。为此，介绍一种基于多通道实时CAN模拟器的设计方案。

1 CAN总线技术介绍
1．1 CAN总线特性
    CAN(Controller Area Network)总线是一种串行多主站控制器局域网总线。它具有很高的网络安全性、通信可靠性和实时性，并且简单实用，网络成本低。它主要用于各种过程监测及控制的一种网络。CAN最初是由德国BOSCH公司为汽车的监测、控制系统而设计的。由于CAN总线具有卓越的特性和极高的可靠性，特别适合于工业过程中监控设备的互连，具体来说，CAN具有如下特性：
    (1)CAN可以多主方式工作，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)CAN可以点对点、点对多点(成组)及全局广播方式传送接收数据；
    (3)CAN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；
    (4)CAN采用非破坏性总线仲载技术。当两个节点是向网络上发送数据时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可以不受影响地继续传输数据，大大节省了总线仲载冲突时间，在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪；
    (5)CAN的直接通信距离最大可达10 km(速率小于5 Kb／s)，最高通信速率可达1 Mb／s。
1．2 CAN通信协议
    在CAN 2．0B的版本协议中有两种不同的帧格式，不同之处为标识符域的长度不同，含有11位标识符的帧称为标准帧，而含有29位标识符的帧称为扩展帧。扩展格式是CAN 2．0B协议新增加的特性。在报文传输时，不同的帧具有不同的传输结构，只有严格按照该结构进行帧的传输，才能被节点正确接收和发送。下面将分别介绍四种传输帧的结构：
    (1)数据帧(Data)：数据帧将数据从发送器传输到接收器。CAN协议有两种数据帧类型标准2．0A和标准2．0B。两者本质的不同在于ID的长度不同。在2．0A类型中，ID的长度为11位；在2．0B类型中，ID的长度为29位。它由7个域组成：帧起始、仲裁域、控制域、数据域、CRC校验码域、应答域、帧结束。
    (2)远程帧(Remote)：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一标识符的数据帧。接收数据的节点可通过发远程帧请求源节点发送数据。它由6个域组成：帧起始、仲裁域、控制域、校验域、应答域、帧结束。
    (3)错误帧(Error)：任何单元检测到总线错误就发出错误帧。由错误标志和错误分界两个域组成。接收节点发现总线上的报文有误时，将自动发出“活动错误标志”，其他节点检测到活动错误标志后发送“错误认可标志”。
    (4)过载帧(Overload)：过载帧用在相邻数据帧或远程帧之间提供附加的延时。由超载标志和超载分隔符组成。超载帧只能在一个帧结束后开始。当接收方在接收下一帧之前，需要过多的时间处理当前的数据，或在帧间空隙域检测到显性电平时，则导致发送超载帧。
1．3 CAN协议控制器
    目前主流的CAN协议控制器一般采用I／O总线(SJA1000等)或SPI接口(M(2P2515等)与处理器进行通信。该设计采用SJA1000控制器。
    SJA1000是一款独立CAN控制器，应用于移动目标和工业局域网控制领域。SJA1000具有两种工作模式：BasicCAN和PeliCAN。该设计采用PeliCAN工作模式。SJA1000用来完成CAN协议所规定的物理层和数据链路层的所有功能，它可以支持多种处理器的时序特性，如Intel模式或Motorola模式，与微处理器的接口非常简单，微处理器以访问外部存储器的方式来访问SJA1000。
    SJA1000通过CAN控制器接口即PCA82C250芯片接到CAN总线上。CAN收发器使用飞利浦公司的PCA82C250，它是连接CAN控制器和物理总线之间的接口，提供了对总线的差动发动和接收能力，与ISO11898标准完全兼容，有三种不同的工作方式即高速、斜率控制和待机，可根据实际情况选择。硬件电路中使用PCA82C250是为了增加通信距离，提高系统的瞬间抗干扰能力，保护总线，降低干扰等。

2 系统设计
2．1 系统方案设计
    根据通用计算机的总线分类，可采用基于ISA总线对多通道实时CAN总线模拟器进行研制，根据CAN总线通信原理可以提出以下两种设计方案：
    (1)ISA总线+CAN通信控制器；
    (2)ISA总线+微处理器+CAN通信控制器。这两种设计方案的不同点在于是否采用处理器来加强控制。
    由于CAN总线通信要求实时性高，再加上多通道的设计满足实际的需要，故采用单片机来负责CAN总线的通信功能。在这里主要介绍单片机与CAN控制器之间的设计部分，其系统设计框图如图1所示。

    单片机选用DALLAS公司的DS89C430，它是当前8051兼容微控制器中性能最高的。具有重新设计的处理器内核，在相同的晶振频率下，执行指令的速度是最初8051微处理器的12倍。特性：高速8051架构，每个机器周期一个时钟；片内存储器16 KB／32 KB／64 KB闪存，在应用可编程，通过串口实现在系统可编程；与8051引脚和指令集兼容；四路双向、8位I／O端口；三个16位定时器／计数器；256 B暂存RAM等特点。可根据实际应用的需要选择其部分功能。随着可编程逻辑器件的飞速发展，其应用领域不断扩大，可用于译码、解码等方面，使用CPLD可以提高系统集成度，降低噪声，增强系统可靠性。因此，单片机与CAN控制器之间的锁存、译码采用Xilinx公司XC95144CPLD芯片，优化了系统资源，降低了其功耗。
2．2 系统硬件设计
    该部分由单片机、CAN控制器、CAN收发器、SRAM存储器组成。单片机主要用于系统计算及信息处理等功能；CAN控制器主要用于系统通信；CAN收发器主要用于增强系统的驱动能力；SRAM主要用于缓存数据。系统的发送过程是：单片机将外围设备传送过来的信息处理后，按CAN规范规定的格式，将其写入CAN控制器的发送缓冲区，并启动发送命令，把数据发送到CAN总线上；接收过程是：CAN控制器从CAN总线上自动接收数据，并经过滤后存入CAN接收缓冲区，且向单片机发出中断请求，此时单片机可从CAN接收缓冲区读取要接收的数据。SJA1000提供的微处理器接口方式为典型INTEL或MOTOROLA地址数据多路复用总线模式。主要信号有地址数据信号AD7～AD0，地址选通信号ALE，片选信号CS，读信号RD，写信号WR，模式选择信号MODE。当MODE=1时，为INTEL模式；当MODE=0时，为MOTOROLA模式。后面描述的总线模式均为INTEL模式。AD7～AD0引脚在ALE有效时，传送的是地址信号，在RD或WR有效时，传输的是数据信号，在这里分别与单片机的PO口相连，RD，WR信号线分别与单片机的读／写信号线相连。具体方案如图2所示。限于篇幅限制，虚线内给出1路CAN的连接图，2路CAN有同样的连接方法。

    SRAM和CAN控制器的片选信号。由于单片机可以查询或中断方式访问，在此采用中断方式进行CAN多通道选择访问，以满足不同通信速率下数据处理的需要。SRAM的地址线与数据线是分开的，故采用74LS373锁存器实现锁存功能。可采用XC95144CPLD芯片以及VHDL硬件描述语言以实现锁存、译码等功能。
2．3 CPLD设计部分
2．3．1 结构设计
    CPLD的输入信号是单片机发送的信号，由高位地址A[15．．8]、ALE锁存信号、中断信号以及写／读信号组成。地址线A14和A15经译码后作为片选信号，ALE实现低8位地址线的锁存。实体和构造体部分代码如下所示：

2．3．2 仿真结果
    该模块在Xilinx ISE 9．1工具下进行综合，并在结合ModelSim环境下进行功能仿真。其仿真结果如图3所示。

3 软件设计
    该系统软件设计的关键是通信程序设计。通信软件由三部分组成：单片机和CAN控制器的初始化程序、CAN发送程序、CAN接收程序。对于初始化程序，采用MAX232芯片对单片机进行在线编程，可同时对多通道CAN控制器初始化。对于CAN控制器的初始化程序，主要是通过对CAN控制器控制段中的寄存器写入控制字，从而确定CAN控制器的工作方式等，即通过上电复位、硬件复位或软件复位给CAN控制器发一个复位请求，便可进入初始化。在复位期间，对必需的寄存器进行设置。对于发送和接受程序，只需把到来的信息帧送到CAN的发送或接受缓冲区，同时启动命令即可。二者可采用查询方式或中断方式，对于中断方式，程序分为主程序和中断服务程序两部分设计。在具体项目中，需要软硬件结合调试才能保证各部分的设计准确无误，到达实际应用的要求。

4 结 语
    在对CAN通信协议进行分析的基础上，构建了一种多通道实时CAN总线模拟器架构，同时利用CPLD器件，通过功能仿真，验证了设计方案的正确性。经实际工程项目使用，验证了该设计方案切实可行，满足了实际应用中高可靠性、高实时性以及传输速率较高的需求。