第12章綜合實例——工業(yè)can網絡控制系統(tǒng)節(jié)點設計-read

1、第12章 綜合實例——工業(yè)CAN網絡控制系統(tǒng)節(jié)點設計,本章通過一個在工業(yè)上實際使用的實例，講解CAN網絡控制系統(tǒng)的設計方法，及其CAN通訊協(xié)議的基本制定過程。通過該實例，讀者能夠學習到CAN網絡通訊、CAN通訊協(xié)議制定各方面的知識。,12.1 系統(tǒng)結構與分析,在工業(yè)現場，往往需要通過一個主機對分布在廠房各處的設備進行控制和監(jiān)控，利用CAN網絡，可以有效的組織各個設備的通訊與管理。,12.1.1 工業(yè)CAN網絡控制系統(tǒng)節(jié)點功能分析,

2、在工業(yè)現場，大部分控制與監(jiān)控只需要對輸入輸出的數字信號進行管理即可，因此本章設計的工業(yè)CAN網絡控制系統(tǒng)節(jié)點，需要具備以下的功能。硬件具備足夠數量的數字信號輸入端口（>=12）；硬件具備足夠數量的數字信號輸出端口（>=12）；硬件具備總線通訊能力，總線負荷結點數>=50個，通訊能力不小于250kbsp，根據需要綜合考慮選用CAN總線通訊系統(tǒng)；,12.1.1 工業(yè)CAN網絡控制系統(tǒng)節(jié)點功能分析,硬件具備顯示時鐘能

3、力，時鐘可以根據需要由總線設置；硬件具備232/485接口，與智能儀表進行通訊；硬件具備相當的抗干擾能力，能夠滿足現場條件的穩(wěn)定運行；在滿足上述條件下盡可能減小成本。,12.1.2 工業(yè)CAN網絡控制系統(tǒng)分析,本章介紹的工業(yè)CAN網絡控制系統(tǒng)，通過CAN網絡對各個分布節(jié)點的數字量輸出信號進行控制，同時監(jiān)控分布節(jié)點的數字量輸入信號，并通過232/485協(xié)議讀取智能儀表的測量值，通過CAN網絡采集到系統(tǒng)主機，在各個節(jié)點處相應有LED

4、顯示狀態(tài)。,12.2 CAN總線知識簡介,CAN，全稱為“Controller Area Network”，即控制器局域網，是國際上應用最廣泛的現場總線之一。最初，CAN是作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊而設計的，因此在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網絡方面得到了大量的應用。例如發(fā)動機管理系統(tǒng)、變速箱控制器、儀表裝備、電子主干系統(tǒng)等等，均具備CAN通訊的能力。隨著CAN總線的發(fā)展，CAN總線也被廣泛應用于工業(yè)控制。

5、,12.2.1 CAN總線的特點,CAN總線是一種多節(jié)點的無主從競爭網絡，其具備以下一些突出的特點。低成本；極高的總線利用率；很遠的數據傳輸距離(長達10Km)；高速的數據傳輸速率（高達1Mbit/s）；,12.2.1 CAN總線的特點,可根據報文的ID決定接收或屏蔽該報文；可靠的錯誤處理和檢錯機制；發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)；節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動退出總線的功能；報文不包含源地址或目標地址，僅用標志符

6、來指示功能信息、優(yōu)先級信息。,12.2.2 CAN總線的物理層,CAN總線的物理層通過兩根導線將所有設備連接到一起，這兩個導線稱為CANH和CANL。由于CAN協(xié)議沒有對CAN總線的通訊介質作出規(guī)定，因此CAN總線的通訊介質可以是屏蔽雙絞線或者光纜等常用的通訊線路。如圖所示為簡單的CAN總線拓撲結構。,12.2.3 CAN總線的報文幀,為了實現CAN總線的通訊功能，CAN通訊協(xié)議中定義了四種不同的通訊報文幀。 數

7、據幀：數據幀攜帶數據從發(fā)送器至接收器； 遠程幀：總線單元發(fā)出遠程幀，請求發(fā)送具有同一識別符的數據幀； 錯誤幀：任何單元檢測到總線錯誤就發(fā)出錯誤幀； 過載幀：過載幀用以在先行的和后續(xù)的數據幀（或遠程幀）之間提供一附加的延時。12.2.3.1 數據幀12.2.3.2 遠程幀12.2.3.3 錯誤幀12.2.3.4 過載幀,12.2.4 CAN總線的仲裁,當CAN總線上兩個節(jié)點同時發(fā)送信息時

8、，就需要進行CAN總線的仲裁。CAN總線以報文為單位進行數據傳送，報文的優(yōu)先級結合在11位/29位標識符中，具有最低二進制數的標識符有最高的優(yōu)先級。這種優(yōu)先級一旦在系統(tǒng)設計時被確立后就不能再被更改，總線讀取中的沖突可通過位仲裁解決。當CAN網絡上兩個節(jié)點同時發(fā)送消息時，就要發(fā)生CAN總線的仲裁，總線狀態(tài)由節(jié)點中的顯性位所決定，因此，當一個節(jié)點發(fā)送的仲裁域出現隱形位時，節(jié)點將檢查總線狀態(tài)是否與自己狀態(tài)一致，當發(fā)現總線被顯性狀態(tài)所占據時，

9、說明有更高優(yōu)先級的節(jié)點正在發(fā)送信息，該節(jié)點自動停止發(fā)送，等待下一次總線空閑時再嘗試發(fā)送。,12.3 工業(yè)CAN網絡控制系統(tǒng)節(jié)點硬件電路設計,在本節(jié)中從各個子系統(tǒng)詳細介紹工業(yè)CAN網絡控制系統(tǒng)節(jié)點的硬件電路設計，包括單片機最小系統(tǒng)、CAN控制器電路、CAN收發(fā)器電路、時鐘顯示電路、輸入輸出控制電路和跑馬燈電路等部分。,12.3.1 AT89S51單片機最小系統(tǒng)電路,在該設計中采用了AT89S51單片機作為核心處理器，因此在電路中首先需

10、要設計的是AT89S51的最小系統(tǒng)。AT89S51單片機的最小系統(tǒng)電路包含以下幾個部分：單片機供電電路：AT89S51需要具有可靠的5V供電，在電路圖中的VCC和GND為供電網絡標識符；振蕩電路：AT89S51需要一個穩(wěn)定的振蕩電路才能夠正常工作，在該電路采用了24Mhz的晶振作為AT89S51的時鐘源；復位電路：復位電路是單片機正常運行的一個必要部分，復位電路應該保證單片機在上電的瞬間進行一次有效的復位，在單片機正常工作時將R

11、ST引腳置低。此外通過一個按鍵進行手動復位，在單片機運行不正常時使用。,12.3.2 CAN總線控制電路,CAN控制器電路采用Philips公司生產的SJA1000并行接口CAN控制器，SJA1000是一款獨立的控制器，用于汽車和一般工業(yè)環(huán)境中的控制器局域網絡(CAN)。12.3.2.1 SJA1000的性能指標SJA1000是PHILIPS半導體PCA82C200 CAN控制器(BasicCAN)的替代產品，它增加了一種新的工

12、作模式（PeliCAN），這種模式支持具有很多新特性的CAN 2.0B協(xié)議，具體性能指標如下。12.3.2.3 SJA1000的濾波工作方式使用SJA1000時要注意SJA1000的驗收濾波器的使用才能夠正確的從CAN總線上接收正確的數據。12.3.2.4 SJA1000的接口電路,12.3.3 CAN收發(fā)器電路,CAN收發(fā)器采用Philips公司生產的PCA82C250專用高速CAN收發(fā)器，PCA82C250是CAN協(xié)議控

13、制器和物理總線之間的接口，該器件對總線提供差動發(fā)送能力，并對CAN控制器提供差動額接收能力，具有體積小，耗電低，工作穩(wěn)定，抗干擾能力強的特點。 12.3.3.1 PCA82C250的性能指標12.3.3.2 PCA82C250的引腳定義12.3.3.3 PCA82C250的CAN驅動電路設計,12.3.4 時鐘顯示電路,時鐘顯示采用了共陰極的LED數碼管，為了減小對單片機引腳的占用和降低成本，采用Maxim公司生產的MAX

14、7219串行LED數碼管驅動器，MAX7219是美國MAXIM公司生產的串行輸入／輸出共陰極顯示驅動器。該芯片可直接驅動最多8位7段數字LED顯示器，或64個LED和條形圖顯示器。它與微處理器的接口非常簡單，僅用3個引腳與微處理器相應端連接即可實現最高10MHz串行口。12.3.4.1 時鐘顯示電路設計具體電路設計如圖12.23所示，MAX7219與AT89S51單片機連接采用三線串行接口。對于MAX7219，串行數據是以16

15、位數據包的形式從DIN腳串行輸入，在CLK的每一個上升沿一位一位地送入芯片內部16位移位寄存器。,12.3.5 數字量輸入輸出,數字量輸入/輸出接口電路主要是用于工業(yè)控制時的邏輯輸入和輸出，設計要求大于12路輸入/輸出，由于數字核心單片機的引腳有限，要實現如此之多的輸入輸出必須要進行IO擴展。如果使用邏輯電路進行擴展，電路復雜程度和成本都會比較高，因此采用Atmel公司生產的AVR單片機Atmega 48進行數字端口的擴展，該單片機

16、成本只要5元左右，卻能夠實現19路的數據量，在該電路使用中無需晶振電路，幾乎所有的引腳都可以用來作為IO擴展接口，,12.3.6 跑馬燈及其他接口電路,為了調試方便，在電路中外擴了8位跑馬燈，為了減少端口使用，將跑馬燈電路與ID設置電路進行了復用，具體電路設計如圖所示，此外，也為電路留出了RS232接口，CAN和電源接口。,,12.3.7 工業(yè)CAN網絡控制節(jié)點總電路,由以上的設計分析可以得到如圖所示的節(jié)點硬件電路圖。,,12.4

17、 工業(yè)CAN網絡控制系統(tǒng)通訊協(xié)議設計,本節(jié)講解工業(yè)CAN網絡控制系統(tǒng)節(jié)點的通訊協(xié)議設計，該通訊協(xié)議基于CAN總線在工業(yè)上的標準通訊協(xié)議CANOpen進行簡化并制定，本章僅僅選取了部分重要的協(xié)議部分進行講解，具體細節(jié)讀者可以參考CANOpen協(xié)議標準。,12.4.1 拓撲結構與接口定義,本章介紹案例的工業(yè)現場控制系統(tǒng)的網絡拓撲圖如圖所示，控制主機通過CAN總線控制現場設備進行數字量的輸入和輸出操作。,12.4.2 通訊約定協(xié)議,通訊約

18、定協(xié)議是指網絡中約定的統(tǒng)一通訊參數，通訊約定是所有節(jié)點能夠正常連接的基本條件。12.4.2.1 通信節(jié)點及約束通信節(jié)點包括控制主機（MCC）和現場設備節(jié)點（ETN），一個網絡允許一個MCC及一個或多個ETN，網絡中至多允許126個ETN。,12.4.2 通訊約定協(xié)議,12.4.2.2 信息交換方式網絡工作在主/從通訊模式，網絡中只允許MCC和ETN之間的通信，MCC為主設備，ETN為從設備。MCC以單播或廣播的方式進行通信，

19、ETN接收對應ID的單播數據和所有的廣播數據；ETN只向MCC發(fā)送單播數據。不允許ETN發(fā)送多播數據，不允許ETN之間的通信。,12.4.2 通訊約定協(xié)議,12.4.2.3 通信數據速率CAN網絡速率為250Kbps。12.4.2.4 數據刷新速率以250Kbps運行的CAN網絡，網絡的滿負荷幀率約為2000frps。為保證各ETN有足夠時間處理數據，ETN發(fā)送幀率小于5frps。,12.4.2 通訊約定協(xié)議,12.4.2

20、.5 幀格式網絡中采用CAN標準幀進行通信，每幀包括11位標識符（ID）、數據長度碼（DLC）、遠程傳送請求位（RTR）、最多8個字節(jié)的數據等由用戶設置的內容。此外，每幀還有CAN標準規(guī)定的幀起始、校驗、分割、應答等。,12.4.3 標識符定義,在采用標準幀進行通信時，CAN對象標識符（COB-ID）為11位，其中高四位為功能代碼，低7位是節(jié)點標識符。標識符的定義如表12.1所示。12.4.3.1 功能代碼功能代碼定義了功能

21、代碼值的范圍是0x00H – 0x0EH，其中0x00H - 0x02H對應于CANOpen中預定義主從連接集的廣播對象，0x03H – 0x0EH對應于CANOpen中主從連接集的對等對象。,12.4.3 標識符定義,12.4.3.2 廣播對象廣播對象包括網絡管理（NMT，Network ManagemenT）模塊控制（Module Control）、同步（SYNC，SYNChronize）、時間戳（TIME，Time Stam

22、p），如表所示。,12.4.3 標識符定義,12.4.3.3 對等對象對等對象包括緊急消息（EMCY，EMergenCY）、過程數據對象（PDO，Process Data Object）、服務數據對象（SDO，S1ervice Data Object）、網絡管理錯誤控制（NMT，NMT Error Control）五類。,12.4.3 標識符定義,12.4.3.4 節(jié)點標識符（NID）分配NID從01H到7EH為ETN所用，

23、7FH（全1）為MCC所用。在實際的網絡通信中，所有對等對象的NID始終表現為ETN的NID，即在所有的對等對象通信中，主控電腦發(fā)送的幀以實驗臺節(jié)點的NID作為的地址，實驗臺節(jié)點發(fā)送的幀以自身的NID作為源地址，所有廣播幀的NID為0，如表所示。,12.4.4 過程數據對象（PDO）,網絡報文數據共8個字節(jié)，分別表示為Byte 0, Byte 1, …, Byte 7。每個字節(jié)8位，表示為：b0, b1, …, b7，位序表示為b7

24、, b6, …, b0。即在網絡上串行發(fā)送數據時，每字節(jié)的最高位被首先發(fā)送，最低位被最后發(fā)送。字節(jié)序及位序的定義見如表所示。,12.4.4 過程數據對象（PDO）,12.4.4.1 PDO1PDO1發(fā)送對象負責關于現場設備狀態(tài)的一切設定與讀取，如開關量設定、初始狀態(tài)設定、狀態(tài)讀取、其他數據讀取等。PDO1接收對象完成PDO1發(fā)送對象中設定情況的反饋，依據命令返回現場設備的開關狀態(tài)及其他狀態(tài)。PDO1和PDO2對象成對出現。PD

25、O1發(fā)送的COB-ID為384+NID，數據長度為自定義，數據幀。PDO1接收的COB-ID為512+NID，數據長度為自定義，數據幀。,12.4.4 過程數據對象（PDO）,12.4.4.2 PDO2PDO2發(fā)送對象負責向現場設備上的智能儀表發(fā)送命令，PDO2接收對象將智能儀表的反饋發(fā)送回主機。智能儀表接在485總線上。PDO2發(fā)送的COB-ID為640+NID，數據長度自定義，數據幀。PDO2接收的COB-ID為768+NI

26、D，數據長度自定義，數據幀。,12.4.4 過程數據對象（PDO）,12.4.4.3 PDO3PDO3用來實現現場設備上LCD等顯示信息的控制，現場設備內容的反饋等。12.4.4.4 PDO4PDO4保留，用于未來的使用。,12.4.5 服務數據對象（SDO）,服務數據對象參考CANOpen協(xié)議標準CiA DS/301，9.2.2制定。SDO對象用來實現對現場設備管理、過程控制等信息。12.4.5.1 SDO(發(fā)送/服

27、務器)12.4.5.2 SDO（接收/客戶）,12.4.6 同步對象（SYNC）,同步對象參考CANOpen標準協(xié)議：CiA DS/301，9.2.3制定。同步對象由NMT主機周期性的廣播發(fā)出，間隔時間約定為5秒。消息自主機初始化完畢后開始發(fā)出，所有從節(jié)點在進入“預運行”狀態(tài)后，須等待此消息。該對象的COB-ID為128，數據長度為0，數據幀。,12.4.7 時間戳對象（TIME）,時間戳對象參考CANOpen標準協(xié)議：CiA

28、DS/301，9.2.4制定。ETN在收到時間戳對象后，將本地時間設定為時間戳指定的時間，并重新開始計時。由于網絡傳輸等原因造成的時間誤差暫不予考慮。該對象的COB-ID為256，數據長度為3，數據幀。數據格式為“時、分、秒”，數據格式為unsigned char，如表所示。,12.4.8 緊急對象（EMCY）,緊急對象參考CANOpen標準協(xié)議：CiA DS/301，9.2.5制定。CAN通信過程中，在執(zhí)行某些命令時發(fā)生的響應錯誤在

29、相應對象中已經實現的，均不在此實現。另，ETN的嚴重錯誤需要通過SDO對象通知MCC。ETN的其余錯誤均通過EMCY發(fā)出，但不影響整個實驗的進行，具體錯誤代碼如表所示。,12.5 工業(yè)CAN網絡控制節(jié)點程序設計,本章介紹該案例的程序設計，同樣，對一這樣一個大的工程，需要將程序利用不同的C文件和H頭文件進行組織，該系統(tǒng)程序的工程文件結構。,12.5.1 SJA1000芯片寄存器與關鍵字定義,SJA1000.h定義了和CAN控制器芯片S

30、JA1000相關的所有寄存器和控制字，及其SJA1000相關寄存器地址，具體代碼如下。,12.5.2 SJA1000.c底層驅動函數庫,SJA1000.c包含了SJA1000的底層驅動函數，具體代碼如下。(具體內容請參照本書),12.5.3 時鐘操作定義,Timer_defs.h頭文件里定義了與時鐘操作相關的具體變量，具體代碼如下。(具體內容請參照本書),12.5.4 時鐘操作函數庫,Timer_funcs.c文件中包含了所有關于

31、時鐘操作的函數，是這些函數的實體文件，具體代碼如下所示。(具體內容請參照本書),12.5.5 485信息定義,_485_defs.h頭文件中包含了485通訊需要的相關頭文件定義，具體代碼如下所示。(具體內容請參照本書),12.5.6 485通訊函數庫,_485_funcs.c包含了所有關于485通訊的函數，注意在本案例設計中，485驅動芯片是外置，在本案例中僅僅輸入和輸出邏輯信號。(具體內容請參照本書),12.5.7 Max721

32、9寄存器與關鍵字定義,max7219.h中定義了所有關于LED數碼管驅動的寄存器和寄存器地址，具體代碼如下所示。(具體內容請參照本書),12.5.8 Max7219數碼管驅動函數庫,max7219.c定義了操作MAX7219對LED數碼管進行驅動的函數，具體代碼如下。(具體內容請參照本書),12.5.9 數碼管操作函數庫,DIG_funcs.c函數中包含了所有關于數碼管操作的功能函數，具體代碼如下。(具體內容請參照本書),12.5.

33、10 CAN總線操作函數庫,CAN_funs.c函數中包含了CAN總線的一般操作函數，這些函數都是在SJA1000底層函數的基礎上編寫的，具體代碼如下。(具體內容請參照本書),12.5.11 輸入輸出管理函數,atmega48.c是管理節(jié)點19路輸入輸出接口的函數，內部實際上就是和atmega48進行SPI通訊的函數，具體代碼如下。(具體內容請參照本書),12.5.12 綜合節(jié)點功能函數,該文件是實現整個CAN網絡系統(tǒng)的綜合功能節(jié)

34、點，其中的函數實現了整個定義的CAN通訊協(xié)議，具體代碼如下所示。(具體內容請參照本書),12.5.13 引腳定義,pin_defs.h定義了所有的引腳功能分布，具體代碼如下所示。(具體內容請參照本書),12.5.14 CAN操作函數聲明,xkcan.h對大部分功能函數進行了聲明，具體代碼如下。(具體內容請參照本書),12.5.15 特殊變量定義,xkcan_defs.h定義了在操作中需要用到的一些特殊變量和特殊定義，具體代碼如下。