CAN总线接口电路

摘要介绍了采用PHILIP公司生产的控制器局域网的高度集成的通信控制器SJA1000和82C250作为收发器的CAN总线接口电路的硬件设计方法，介绍了控制器和收发器及看门狗芯片的特点、内部结构、寄存器结构及地址分配，说明一种通用型CAN总线的设计和开发.探讨应用中需注意的一些问题。关键词：CAN总线；控制器；收发器；电路设计I目次摘要....................................................................I1绪论................................................................11.1CAN总线简介.....................................................11.1.1CAN协议...................................................11.1.2电气参数及信号表示.........................................21.2CAN的主要技术特点...............................................21.3CAN总线通信系统拓扑结构.........................................32CAN总线接口电路设计.................................................32.1总体方案设计....................................................32.2各模块电路的设计................................................42.2.1单片机昀小系统.............................................42.2.2CAN总线接口控制电路设计...................................52.2.2.1SJA1000简介..........................................52.2.2.2基于SJA1000的控制电路设计...........................102.2.3CAN总线收发电路设计......................................112.2.3.1CAN总线收发器82C250介绍.............................112.2.3.2基于82C250收发电路设计.............................142.2.4复位、监控电路设计........................................152.2.4.1X5045P简介...........................................152.2.4.2基于X5045P的电路设计................................182.2.5电源设计..................................................182.3接口电路总体电路原理图.........................................193结束语.............................................................21参考文献..............................................................22附录1:接口电路总体电路原理图.........................................23II1绪论1.1CAN总线简介CAN[Control（Controller）AreaNetwork]是控制(器)局域网的简称。CAN是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，昀初由德国Bosch公司80年代用于汽车内部测试和控制仪器之间的数据通信。目前CAN总线规范已被国际标准化组织ISO制订为国际标准ISO11898，并得到了Motorola，Intel，Philips等大半导体器件生产厂家的支持，迅速推出各种集成有CAN协议的产品。目前CAN总线主要用于汽车自动化领域，如发动机自动点火、注油、复杂的加速刹车控制（ASC）、抗锁定刹车系统（ABS）和抗滑系统等。BENZ、BMW等著名汽车上已经采用CAN来满足上述功能。在工业过程控制领域，CAN也得到了广泛的应用。1.1.1CAN协议CAN总线采用分层结构，规范规定了任意两个节点之间的兼容性。包括电气特件利数据解释协议。CAN协议可分为：目标层、传送层、物理层。其中目标层和传送层包括了ISO/OSI定义的数据链路的所有功能。目标层的功能包括：确认要发送的信息；位应用层提供接口。传送层功能包括：数据帧组织：总线仲裁：检错、错误报告、错误处理。CAN总线以报文为单位进行信息交换，报文中含有标示符（ID），它既描述了数据的含义又表明了报文的优先权。CAN总线上的各个协点都可主动发送数据。当同时有两个或两个以上的节点发送报文时，CAN控制器采用ID进行仲裁。ID控制节点对总线的访问。发送具有昀高优先权报文的节点获得总线的使用权，其他节点自动停止发送，总线空闲后，这些节点将自动重发报文。CAN支持四类信息帧类型。（1）数据帧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ll位；在2.0B类型中ID为29位。一个信息震中包括7个主要的域：帧起始域——标志数据帧的开始，由一个显性位组成。仲裁域——内容由标示符和远程传输请求位（RTR）组成，RTR用以表明此信息帧是数据帧还是不包含任何数据的远地请求帧。当2.0A的数据帧和2.0B的数据帧必须在同一条总线上传输时，首先判断其优先权，如果ID相同，则非扩展数据帧的优先1权高于扩展数据帧。控制域——r0、r1是保留位，作为扩展位，DLC表示一帧中数据字节的数目。数据域——包含0～8字节的数据。校验域——检验位错用的循环冗余校验域，共15位。应答域——包括应答位和应答分隔符。正确接收到有效报文的接收站在应答期间将总线值为显性电平。帧结束——由七位隐性电平组成。（2）远程帧接受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）错误指示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）超载帧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。当接收方接收下一帧之前，需要过多的时间处理当前的数据，或在帧问空隙域检测到显性电平时，则导致发送超载帧。（5）帧间空隙位于数据帧和远地帧与前面的信息帧之间，由帧间空隙和总线空闲状态组成。帧间空隙是必要的，在此期间，CAN不进行新的帧发送，为的是CAN控制器在下次信息传递前有时间进行内部处理操作。当总线空闲时CAN控制器方可发送数据。1.1.2电气参数及信号表示总线上的数据采用不归零编码方式（NRZ），可具有两种互补的逻辑值之一：显性及隐性。CAN总线中各节点使用相同的位速率。它的每位时间由同步段、传播段、相位缓冲段1及相位缓冲段2组成。发送器在同步段前改变输出的位数值，接受器在两个相位缓冲段间采样输入位值，而两个相位缓冲段长度可自由调节，以保证采样的可靠性。另外，CAN总线采用时钟同步技术来保证通讯的同步。1.2CAN的主要技术特点CAN网络上的节点不分主从，任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，通信方式灵活，利用这一特点可方便地构成多机备份系统CAN只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据，无需专门的调度CAN的直接通信距离昀远可达10km（速率5kbps以下）；通信速率昀高可达21Mbps(此时通信距离昀长为40m)。CAN上的节点数主要决定于总线驱动电路，目前可达110个；报文标识符可达2032种（CAN2.0A），而扩展标准（CAN2.0B）的报文标识符几乎不受限制。1.3CAN总线通信系统拓扑结构CAN在物理结构上属于总线式通信网络。系统的组成如下图：图1CAN总线系统结构图该系统由上位监控PC机、智能节点和现场设备三部分组成。上位监控PC机主要负责对系统数据的接受与管理、控制命令的发送以及各控制单元动态参数和设备状态的实时显示；智能节点可以使现场设备方便地连接到CAN总线上，主要负责对现场的环境参数和设备状态进行监测，对采集来的数据进行打包处理并将处理古的数字信号通过CAN通信控制器SJA1000发送到CAN总线。智能节点的设计和选择，对通信信号的传输发送有很的影响，系统中的数据传送和接收，都是通过CAN总线接口实现。CAN总线接口电路的设计，对CAN总线很是重要。本文正是基于此，对CAN总线接口电路进行设计分析，给出一种设计方案。2CAN总线接口电路设计2.1总体方案设计CAN总线接口电路主要包括：单片机、控制器接口、总线收发器和看门狗电路等。采用Philips公司生产的SJA1000控制器和与其配套的82C250CAN收发器。按照CAN总线物理层协议选择总线介质，设计布线方案，连接成CAN网络。双绞屏蔽线可设两套，在两套介质上同时进行信息传输，接收方只用一个介质。在冗余和非冗余段的连接临界点处进行总线切换。硬件电路的设计主要是CAN通信控制器与微处理器之间和CAN总线收发器与物理总线之间的接口电路的设计。CAN通信控制器是CAN总线接口电路的核心，主要完成CAN的通信协议，而CAN总线收发器的主要功能是增大通信距离，提高系统的瞬间抗干扰能力，保护总线，降低射频干扰（RFI），实现热防护等。看门狗电路主要是实现对电路的监控和复位作用。3目前广泛流行的CAN总线器件有两大类：一类是独立的CAN控制器，如82C200、SJA1000及Intel82526/82527等，另一类是带有在片CAN的微控制器，如P8XC582及16位微控制器87C196CA/CB等。本课题选取PHILIPS公司的SJA1000CAN控制器以及82C250总线收发器，主要是考虑到SJA1000支持CAN2.0A/B规约。而82C250可以支持110个CAN节点，并且国内市场上PHILIPS的产品型号比较多，购买比较方便。在本次设计中，接口电路简单表示如下图：图2-1接口电路总体框图2.2各模块电路的设计2.2.1单片机昀小系统本设计中，应用到单片机为ATMEL公司51系列的89C51，该型号的单片机应用广泛，技术成熟，市场上价格便宜，而且在学习中所学到的多为该型号，在本次设计中是首选的芯片。89C51单片机作为系统的核心控制部分，但在本设计中不是重点讲解内容，其相关技术应用和引脚特点功能等，可参照其他相关资料。设计的电路原理方框大致如下图2-2所示。设计中为避免出现时钟信号的冲突，对单片机的外接晶振引脚XTAL1、XTAL2不接上外围电路，而是通过控制器SJA1000的时钟信号脚反馈给单片机。同时，对单片机的复位信号处理，RST引脚接上X5045P的RST脚，复位信号可由X5045P输出，在X5045P芯片看门狗外围电路的作用下，减少了以往由电阻、电容组成的简易复位电路造成的不精确、延时高等不良作用，使单片机回复到初始状态，完成复位操作。由于在该电路中要用到单片机的存储作用，存储由SJA1000传输过来的处理数据。因此，脚/EA接上高电平，选用片内ROM。对ALE脚，也即地址锁存有效信号除数端是和控4制器SJA1000的ALE脚接通。RST9RXD/P3.010INT0/P