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1 引言 CAN(Controller Area Network)，即控制器局域網，是應用最廣泛的現場總線之一，CAN總線以其實時性強，可靠性高，結構簡單，互操作性好，價格低廉等優點，可應用于高速網絡和低成本的線路網絡。這里提出一種CAN總線隔離器的通訊系統，將其應用于某飛行器到地面的通訊網絡，實現飛行器和地面的速度隔離，從而使飛行器和地面之間能夠穩定實時通信。該系統設計在分析CAN總線2．0B協議的基礎上，采用結構化方法獨立設計飛行器和地面雙方的通信協議。底層模塊的硬件設計是以C8051F040高速型單片機為核心，其內部集成CAN協議控制器，因而只需增加CAN收發器就可實現CAN智能節點設計，比傳統的由單片機與CAN 協議控制器共同組成的CAN節點更簡單，可靠，易操作。而CAN總線應用層協議由用戶自行定義編寫，使其更符合該系統設計要求。目前整個系統運行良好，性能穩定，通信冗余度好，符合工業現場使用要求。 2 基于C8051F040的CAN智能節點設計 圖1是基于C8051F040的CAN總線硬件接口原理電路圖。通過C8051F040內部所集成的CAN控制器，為了增強系統的抗十擾能力，在CAN控制器與TJA1040之間接入光電耦合器6N137，從而實現TJA1040與外界CAN通信。事實上，集成收發器TJA1040本身具有瞬間抗干擾能力，可保護總線，降低射頻干擾，以實現熱保護功能。因此，在干擾不嚴重的廊用場合，無需增加光電隔離，使得系統達到最大通信速率或距離。如果使用光電隔離器，應盡量選用高速光電隔離器，以減少CAN總線有效回路信號傳輸的延時時間。由于CAN隔離器需通過CAN總線采集輸入輸出模塊的數據信息，干擾較大，為了系統的穩定可靠性，需加光電隔離器。通過CAN2．0B兼容CAN2．0A協議的連接通訊測試，光電耦合器6N137上升時間為30 ns(典型值)，隔離電壓為3 000 V，其支持最大頻率值超過30 MHz。 為實現系統的穩定可靠性，該系統設計采用冗余設計，利用雙通道光耦HCPL2631隔離并產生控制信號，控制兩個單刀雙擲開關MAX4635，從而實現CAN智能節點的切換。 3 CAN總線隔離器設計 該系統設計的CAN總線隔離主要由發送和接收兩部分組成。發送和接收部分都由數據指令配置、數據處理和數據傳輸3個單元組成，如圖2所示。其中發送部分：上位機指令配置完后，通過FPGA傳輸給單片機，單片機利用自身所帶的CAN總線，經隔離處理后到達總線驅動器，然后通過CAN總線輸出數據。而接收部分正好相反。該系統設計將飛行器速度設置為500 kHz，地面速度設置為50 km／s，從而更好模擬飛行器和地面的通信。 4 隔離器收發雙方通信協議 總線隔離器分為飛行器高速接口和地面低速接口兩部分，要求隔離器能通過所有地面上行到飛行器的數據。本系統CAN總線采用主從方式，所有總線數據統一采用數據幀，不用遠程幀，數據長度最大為8字節，最小為0字節。根據數據鏈路層協議，仲裁場標準標識符共11位(ID1O"ID0)，系統通過標識符確定數據傳輸的優先級。本協議規定，ID除表示優先級外，還是數據接收目的節點、數據發送源節點與數據類型。具體說明11位ID：ID(ID的0～3位)為數據接收目的節點；ID(ID的4"7位)為數據發送的源節點；ID(ID的8"10位)為數據類型。 本協議中，飛行器系統和地面系統都有3個節點，節點編號和ID號如表1所示。 5 CAN隔離器的軟件設計 5．1 CAN總線初始化 CAN總線初始化包括：I／O的配置、外部晶體振蕩器的配置、CAN總線的開閉、發送和接收初始化。初始化程序如下： void initial_can(unsigned char MsgNum，unsignedl int id) {SFRPAGE=CONFIG_PAGE； 5．2 發送和接收程序 CAN報文發送是由CAN控制器自動完成，用戶只需根據接收到的數據幀的識別符，將對應的數據轉移到發送緩沖寄存器，然后將此報文對象的編碼寫入命令請求寄存器啟動發送即可，而發送由硬件完成。這里使用定時更新發送報文對象中的數據，發送數據由控制器自動完成，當收到一個數據幀時，可將具有相同識別符的數據幀發送出去。其發送程序代碼如下： CAN報文的接收與發送相同，由CAN控制器自動完成，接收程序只需從接收緩存器中讀取所接收的數據，再進行相應處理。其方法與發送程序基本一致，這里不再贅述。 6 關鍵技術設計分析 6．1 冗余設計 工業控制現場狀況復雜，因外力所致的電纜接觸故障率遠遠高于節點的故障率，一旦電纜發生故障，總線就會失去通信能力，并導致系統癱瘓，對工控系統的健壯性構成威脅。解決這一故障最簡單、有效的辦法是對故障率較高的物理介質進行冗余設計。即使用2條總線電纜、2個CAN總線收發器，但只用1個總線控制器。仲裁電路自動監測總線狀態，并自適應選擇正常的電纜完成通信任務。發生電纜故障時，設備自動報警，提醒工作人員進行檢修。檢修過程中，設備使用備用電纜繼續工作。電纜冗余設計可實現與通常的CAN總線通訊系統代碼級兼容。仲裁電路設置于總線控制器與2個總線收發器之間，監測CAN總線電纜狀態，實現自適應切換和報警。設備向其他節點發送報文時，總線控制器向2條總線同時發送相同的報文；而接收報文時，仲裁電路在無電纜故障時，一直使用總線1(主總線)進行報文接收。如果總線2(從總線)出現故障，故障監測電路就向主控計算機發出中斷信號報故障，同時處于正常狀態的總線1仍承擔正常通訊任務；如果總線1出現故障，故障監測電路在向主控計算機發出中斷信號的同時，自動切換成總線2，以保證設備正常工作。總線切換動作只會出現在正在使用的電纜發生故障時，這樣可提高通訊的穩定性，降低應答失敗的幾率。 6．2 接收數據時ID不濾波的實現 在CAN總線的接收過程中，一般實現的都是發送ID和接收ID相匹配的方式，也就是說在接收方要進行接收，而ID濾波，而本設計實現任意接收方式，只要有數據就開始接收不進行ID號的濾波，這樣可更好進行測試，例如某個設備所攜帶的ID號，由于各種原因與接收方所接收的ID不匹配，這樣就可判斷出所發設備可能收到干擾，或者所發設備自身出現了問題。這種ID號不過濾的方法主要通過對接收設備的命令請求寄存器、消息掩碼寄存器、仲裁寄存器、消息控制寄存器和命令掩碼寄存器的設置來實現。其實現程序如下： 7 結論 本文提出一種CAN總線隔離器的實現方案。利用具有CAN總線控制器的C8051F系列單片機實現了CAN智能節點，增加CAN節點的冗余設計，提高通訊的穩定性，降低應答失敗的幾率；實現不濾波的CAN數據接收，可更好測試系統的可靠性和監測功能，當接收到不是已知設備發來的消息時，能夠準確定位設備故障的位置。此方案實現的CAN總線隔離器已成功應用于某型號飛行器的地面測試臺中，經測試和調試后，系統工作穩定，達到設計要求。并且由于采用內嵌的CAN 總線控制器，可為以后的系統升級預留大量空間。 |
