基于CAN总线的适配器节点设计 (2).doc

1、本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 学 号学生姓名专业班级自动化073课程设计（论文）题目基于CAN总线的适配器节点设计课程设计（论文）任务实现功能CAN总线上的智能节点和其他的智能设备通信，需要完成通信协议和通信标准的转换，设计CAN总线适配器，并与PC机实现通信（采用232标准）。设计任务及要求1、分析功能，确定设计方案；2、完成主机、总线控制器、驱动器等的选择；3、完成硬件电路的设计，包括框图、原理图、电路图；4、编写标准转换程序，用汇编语言，包括初始化、接收及发送程序；5、要求认真独立完成所规定的全部内容；所设计的内容要求正确、合理。

2、6、撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。技术参数1、符合CAN2.0B规范；2、高速率，最高可达1Mbit/s；（设计选定传输速率为500k bit/s）3、可扩充110个节点.。进度计划1、布置任务，查阅资料，确定系统设计方案（2天）2、系统硬件设计及模块选择（3天）3、系统软件软件及编写功能程序及调试（3天）4、撰写、打印设计说明书（1天）5、验收及答辩。（1天）指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要CAN总线是一种应用极为普及的现场总线。CAN总线作为智能设

3、备的联系纽带,把挂在总线上作为网络节点的智能设备连接为网络系统,并进一步构成自动化系统,实现基本控制的综合自动化系统。本文中提出了一种基于CAN总线的适配器接口的设计方案。CAN总线的适配器智能节点用单片机AT89S51和SJA1000控制器为核心组成。分别从硬件电路设计和SJA1000软件初始化、发送、接收设计方面进行了分析,实现了相应的网络控制功能, 具有较高的实用性。关键词：CAN总线；智能节点；系统设计目 录第1章 绪论1第2章 课程设计的方案22.1 概述22.2 系统组成总体结构2第3章 硬件设计33.1 单片机最小系统设计33.2 CAN总线43.3 网络适配器53.4 系统总体

4、框图6第4章 软件设计74.1 CAN总线的初始化程序74.2 SJA1000发送和接收数据的流程10第5章 课程设计总结15参考文献16第1章 绪论CAN总线最初是德国Bosch公司在1986 年为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种支持分布式实时控制系统的串行数据通讯总线。CAN总线与其它通信网的显著不同之处在于： (1)报文传送中不包含目标地址，它是以全网广播为基础，各接收站根据报文中反映数据性质的标识符过滤报文，该收的收下，不收的弃用。其好处是可线上网下网、即插即用和多站接收。 (2)特别强化了对数据安全性的关注，满足控制系统及其它较高数据要求的系统需求。另外C

5、AN总线采用短帧结构，借助接收滤波的多地址帧传送，受干扰概率低，每帧信息都有CRC校验及其它检错措施。响应远程数据请求，配置灵活，具有全系统的数据相容性。节点数主要取决于总线驱动电路，目前最多可达110个节点。CAN总线符合ISO11898标准，通信速率高，最大传输速率可达1Mbit/S，最大传输距离为10km，传输介质可为双绞线。基于CAN总线以上的特点，把它应用于系统分布比较分散且需要在同一总线上挂接多个节点的场合是非常适合的。CAN总线具有高性能、高可靠性、高性价比、连接方便、实时性好及其独特的设计等突出优点应用于许多工业部门，目前已成为比较流行的一种现场总线，广泛应用于控制系统中的各检

6、测和执行机构之间的数据通信。而实际应用中PC机与CAN总线的人机交互设计尤为重要，它直接影响系统的运行和结果，其连接方法也成为系统设计的重点，通常采取3种连接方式：RS-232串行口通信、PCI卡、USB口通信，由于串行通信端口在系统控制领域中一直扮演着极为重要的角色，以其开发简单，资源丰富，成本低，无需驱动程序等诸多优点，不仅没有被淘汰，反而在规格上更先进，故应用广泛。结合设计中AT89S51单片机有串行通信口且接口简单的特点，选用RS-232作为CAN总线与PC机之间的连接方式。将就这一基于CAN控制器SJA1000与AT89S51的具有通用性的工业测控系统设计的软硬件设计方案作详细介绍。

7、第2章 课程设计的方案2.1 概述本次设计主要是综合应用所学知识，设计CAN总线适配器接口设计，并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练。能够较全面地巩固和应用“现场总线”课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握适配器智能节点设计的基本方法。系统以单片机AT89S51和SJA1000控制器为核心，完成通信协议和通信标准的转换，设计CAN总线适配器，并与PC机实现通信。该系统主要由AT89S51控制电路、适配器接口电路、CAN总线电路、挂起复位电路、光电隔离电路等组成，本设计系统主要部件结构图如图2.12.2 系统组成总体结构AT89S51复位电路24M时钟SJA1000PDIUSBD12控制

8、逻辑6M时钟光电隔离DCDCTJA1050适配器接口图2.1 系统总体框图第3章 硬件设计3.1 单片机最小系统设计AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。图3.1单片机最小系统3.2 CAN总线在本系统中

9、，CAN控制器采用Philips公司生产的SJA1000，它作为一个发送、接受缓冲器，实现主控制器和总线之间的数据传输;CAN收发器采用TJA1050芯片，它是CAN控制器和物理总线的接口，主要可以提供对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接受能力。 在CAN总线结构中,总线的两端还要配置两个120的电阻，其作用是总线匹配阻抗，可以增加总线传输的稳定性和抗干扰能力，减少数据传输中的出错率。为了增强CAN总线节点的抗干扰能力,SJA1000的TXO和RX0可通过高速光耦6N137与TJA1050相连,这样就很好的实现了总线上各节点的电气隔离。光耦部分电源与CAN_V必须用小功率电源隔离模块进

10、行隔离,这样就提高了节点的稳定性和安全性。图3.2为SJA1000引脚图。图3.2 SJA1000引脚图3.3 网络适配器本设计中的PDIUSBD13是一个性能优化的适配器器件，通常用于基于微控制器的系统并与微控制器通过高速通用并行接口进行通信。PDIUSBD13与MCU的接口有2种方式：多路地址/数据总线方式、单地址/数据总线方式。在这个系统中,我们采用的是前一种方式：使用了AT89S51的INT0、ALE、WR、RD和P0口，A0 脚接地,当PDIUSBD12接收到主机的有效信息时，会产生一个中断通知89C52进行处理。若单片机的输出地址为奇数，则表示对PDIUSBD13发送指令;若输出地

11、址为偶数，则表示对PDIUSBD13进行数据传输。AT89C52将数据经PDIUSBD13的并行接口送入FIFO存储器。对一个单片机而言，PDIUSBD13看起来就像1个带8位数据总线和1个地址位的存储器件。控制CLKOUT 时钟输出为SJA1000提供时钟输入。由于在USB的信号传递过程中会掺杂进瞬间的高压噪声，这些噪声对USB口的收发电路将产生致命的危害，因此需要对这些噪声电压进行抑制。在USB接口电路中使用了SN75240,它可以对USB接口中的不正常电压进行有效的抑制，以保证硬件设备的安全。图3.3为PDIUSBD13引脚图。图3.3 PDIUSBD13引脚图3.4 系统总体框图图3.

12、4为系统总体框图，主要说明单片机与SJA1000和PDIUSBD12的引脚连接。图3.4 系统总体框图第4章 软件设计4.1 CAN总线的初始化程序 CAN总线的三层结构模型为：物理层、数据链路层和应用层。其中物理层和数据链路层的功能由SJA1000完成，系统的开发主要在应用层软件的设计上，它主要由三个子程序：初始化子程序、发送数据和接收数据程序。同时，还包括一些数据溢出中断以及帧出错的处理。SJA1000在上电硬件复位之后，必须对其进行软件初始化之后才可以进行数据通讯，初始化过程主要包括对其复位模式下配置时钟分频寄存器CDR、总线定时寄存器BTR0和BTR1、验收代码寄存器ACR、验收屏蔽寄

13、存器AMR及输出控制寄存器OCR等，实现对总线的速率、验收屏蔽码、输出引脚驱动方式、总线模式及时钟分频进行定义。图4.1为CAN总线初始化流程图。图4.1 CAN总线初始化流程图CAN初始化程序：void init_can()large unsigned int data i; for (i=0;i512;i+) _nop_() con_reg=ox41; for(i=0;i512;i+) _nop_() cpu_inter_reg=ox41;clk_out_reg=ox30; bus_config_reg=0; g_m_s_reg0=oxff; g_m_s_reg1=ox1f; g_m_e_

14、reg0=oxff; g_m_e_reg1=oxff;g_m_e_reg2=oxff; g_e_s_reg3=oxff; m15_m_reg0=oxff; m15_m_reg1=ox1f; m15_m_reg2=oxff; m15_m_reg3=oxff; tim0_reg=ox87; tim1_reg=oxc8;mesg_reg10=ox55;mesg_reg20=ox55;mesg_reg30=ox55;mesg_reg40=ox55;mesg_reg50=ox55;mesg_reg60=ox55;mesg_reg70=ox55;mesg_reg80=ox55;mesg_reg90=ox5

15、5;mesg_rega0=ox55;mesg_regb0=ox55;mesg_regc0=ox55;mesg_regd0=ox55;mesg_rege0=ox55;mesg_regf0=ox55;mesg_reg16=ox88;mesg_reg12=oxf3;mesg_reg13=0;mesg_reg14=0;mesg_reg15=0;mesg_reg10=ox95;mesg_reg26=ox80;mesg_reg22=oxf0;mesg_reg24=0;mesg_reg25=0;mesg_reg21=ox55;mesg_reg20=ox99;mesg_regf6=ox80;mesg_regf

16、1=ox55;mesg_regf0=ox99;con_reg=ox02;4.2 SJA1000发送和接收数据的流程SJA1000发送和接收数据的流程，基本过程为主控制器将数据保存到SJA1000发送缓冲器，然后对命令寄存器的发送请求TR标志位进行置位开始发送;接收过程为SJA1000将从总线上接收到的数据存入接收缓冲器，通过其中断标志位通知主控制器来处理接收到的信息，接收完毕之后清空缓冲器，等待下次接收。图4.2为发送程序流程图，图4.3为接受程序流程图。满开始接受缓冲器状态？给缓冲器加载信息发送数据图4.2 CAN总线发送程序流程图发送数据程序代码：int can_tran_file(int

17、 id ,char *f)void far *ptr;char ch;int i,j,re_comd,length;FILE *fp; get_ram_access_right(); ptr=MK-FP(oxd000,0); FP_OFF(ptr)+=ox100; pokeb(FP_SEG(ptr),FP_OFF(ptr),02); FP_OFF(ptr)+; pokeb(FP SEG(ptr),FP OFF(ptr),id); FP_OFF(ptr)+; pokeb(FP_SEG(ptr),FP_OFF(ptr),1); FP_OFF(ptr)+; i=0; while(fi!=0) pok

18、eb(FP_SEG(ptr),FP_OFF(ptr),fi); FP_OFF(ptr)+; i+; pokeb(FP_SEG(ptr),FP_OFF(ptr),fi); ptr=MK_FP(oxd000,0);FP_OFF(ptr)+=ox120;if(!(fp=fopen(f,rb)release_ram_acces_right();return(6); i=0; while(!feof(fp) fread(&ch,sizeof(char),1,fp); pokeb(FP_SEG(ptr),FP_OFF(ptr),ch); FP_OFF(ptr)+; i+; fclose(fp); leng

19、th=i-1; ptr=MK_FP(oxd000,0); FP_OFF(ptr)+=0x114; poke(FP_SEG(ptr),FP_OFF(ptr),length); release_ram_acces_right(); inportb(0x218); for(i=0;i6000;i+)ch=0; get_ram_access_right(); prt=MK_FP(oxd000,0); FP_OFF(ptr)+=ox4000; re_comd=peekb(FP_SEG(ptr),FP_OFF(ptr); if(re_comd=0x12) pokeb(FP_SEG(ptr),FP_OFF(

20、ptr),0); release_ram_acces_right(); return(1); else ptr=MK_FP(oxd000,0); FP_OFF(ptr)+=ox4020; i=peekb(FP_SEG(ptr),FP_OFF(ptr); release_ram_acces_right(); return(i);YYYNN开始关CAN中断数据帧？远程帧？发送数据N读入数据计算校验检验正确？记录数据帧标识符将数据压入接受队列开CAN中断结束图4.3 CAN总线接收程序流程图接收数据子程序代码：int can_recv_file(int id,char *f) void fra *p

21、tr; char ch; int i,j,re_comd,length; get_ram_access_right(); ptr=mk_fp(oxd000,0); fp_off(ptr)+=ox100; pokeb(fp_seg(ptr),fp_off(ptr),01); fp_off(ptr)+; pokeb(fp_seg(ptr),fp_off(ptr),id); pokeb(fp_seg(ptr),fp_pff(ptr),1); fp_off(ptr)+; i=0; while(fi!=0) pokeb(fp_seg(ptr),fp_off(ptr),fi); fp_off(ptr)+;

22、 i+; pokeb(fp_seg(ptr),fp_off(ptr),fi);release_ram_acces_right();inportb(ox218); for(i=0;i6000;i+)ch=0;get_ram_access_right(); ptr=mk_fp(oxd000,0);fp_off(ptr)+=ox4000;re_comd=peekb(fp_seg(ptr),fp_off(ptr);if(re_comd=ox11) pokeb(fp_seg(ptr),fp_off(ptr),0); if(!(fp=fopen(f,wb) release_ram_accea_right(

23、); return(6); ptr=mk_fp(oxd000,0); fp_off(ptr)+=ox4014; lenght=peek(fp_seg(ptr),fp_off(ptr); ptr=mk_fp(oxd000,0); fp_off(ptr)+=ox4020;fwrite(ptr,sizeof(char),length,fp);fclose(fp);release_ram_acces_right();return(1); else ptr=mk_fp(oxd000,0); fp_off(ptr)+=ox4020; i=peekb(fp_seg(ptr),fp_off(ptr);rele

24、ase_ram_acces_right(); return(i); 第5章 课程设计总结这次课程设计根据课题要求，复习了所学的工业控制网络课程内容，设计重点是理论与实践相结合，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题的锻炼。通过这次课程设计使我明白了自己的知识还有所欠缺。明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己的综合素质。本文主要研究CAN总线上的智能节点和其他的智能设备通信，需要完成通信协议和通信标准的转换。以单片机AT89S21和SJA1000控制器为控制核心，完成系统的控制要求。本文介绍了CAN总线的发展及它的一些性能指标，确定系统的方案设

25、计，通过一些硬件连接完成了系统的硬件设计。本文的核心在于SJA1000的初始化、发送和接受数据的程序设计，在老师的帮助下也顺利完成。这次课设的重点在于动手实践，做出实验现象，不单单是一条条的程序分析。在课设的过程中我了解了CAN总线的性能指标，还了解网络适配器的一些知识，不仅仅巩固了工业控制网络课程的内容，还大大的拓展我的知识面，了解了一些课外的知识，这对我将来走向工作岗位有了很大的帮助。参考文献1 王彬、郑红平，CAN总线在远程抄表系统中的应用，北京：清华大学出版社,2004：19-48，81-932 张凤登，现场总线技术应用，北京：科学出版社，1990：45-563 梅丽凤，单片机原理及接口技术，北京：清华大学出版社，2009：126-1354 李庆峰，现场总线技术及其应用，北京：机械工业出版社，2004：25-405 周季军，微型计算机控制，北京：电子工业出版社，1997：201-2206 李俊、郑勇云，现场总线CAN原理与应用技术，北京：北京航空航天大学出版社，2000：40-607 邹继军，现场总线CAN原理与应用技术，北京:北京航空航天大学出版社,2003.38 邬宽明，现场总线技术应用选编，北京:北京航空航天大学出版社,2004.29 杨春杰，CAN总线技术，北京:北京航空航天出版社,2010.117