CAN總線在某平臺控制系統(tǒng)中的應用

張福建，周 暉，汪 湛

（中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇揚州 225001）

0 引言

控制器局域網(wǎng)絡CAN(Controller Area Network)是20世紀80年代初研制成功的一種現(xiàn)場總線，其最初主要是為汽車監(jiān)測、控制系統(tǒng)而設計的。CAN總線采用差分驅(qū)動，可在高噪聲干擾的環(huán)境中使用，且具有較強的糾錯能力等，加之其性能好、成本低、靈活的特點，已在廣泛的領域得到應用。

1 CAN總線的特點與優(yōu)勢[1]

CAN總線采用雙絞線，通信速率塊，支持設備多（最多110個）[2]；廢除傳統(tǒng)的站地址編碼，多主從方式工作；采用短幀結(jié)構(gòu)，不易受干擾影響；采用CRC校驗提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性，抗干擾能力強；采用仲裁技術(shù)，區(qū)分節(jié)點優(yōu)先級，有效避免總線沖突。

2 CAN總線在實際中的應用

某控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

其中，平臺控制板與A、M軸驅(qū)動器板之間有大量的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)要求A、M軸驅(qū)動器板以3 k的頻率向平臺控制板傳送A、M軸電機瞬時的轉(zhuǎn)速和位置數(shù)據(jù)（均為16位二進制數(shù)據(jù)），而平臺控制板在接收到相應信息后，進行解算，并以相同的3 k頻率分別向A、M軸驅(qū)動器給出16位速度指令，同時要把解算出的由于A、M軸的運動造成對方位軸速度和位置的擾動實時地傳給方位控制板（A軸、M軸、方位電機是依次自下往上按一定角度疊加在一塊的）。

圖1 某控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

方位驅(qū)動板以3 k的頻率向方位控制板傳送方位電機的瞬時速度和位置量。方位控制板根據(jù)平臺控制板和方位驅(qū)動板送來的數(shù)據(jù)解算出對方位電機的速度指令，并以3 k的頻率發(fā)送給方位驅(qū)動板。這就對控制板和驅(qū)動板之間的通訊提出了很高的要求。因此在本系統(tǒng)中決定采用CAN總線通訊方式。

2.1 基于CAN總線接口硬件電路的設計[3]

本系統(tǒng)中采用PC104總線的嵌入式控制系統(tǒng)，因此CAN總線的硬件電路主要包括PC104總線模塊、雙口RAM控制電路、80C592單片機、光電隔離電路、82C251芯片、保護電路等。CAN控制器完成CAN通信協(xié)議；總線收發(fā)器調(diào)節(jié)電平，增大通信距離；光電隔離電路以及后面保護電路實現(xiàn)控制器與收發(fā)器及總線的物理隔離，保護器件[4]。

CAN總線接口框圖如圖2所示。

圖2 CAN總線框圖

（1）工作原理

驅(qū)動板把數(shù)據(jù)傳到CAN總線上，控制板上的82C251接收總線上所有傳輸?shù)膸?，通過電流和電壓隔離后，傳送到P80C592的CAN模塊，CAN模塊比較接收碼寄存器和幀的ID碼，若相等則接收，并引發(fā)一個接收中斷。在接收中斷的處理中，P80C592讀取碼CAN模塊接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，把它傳送到CY7C09449的雙口RAM中，并觸發(fā)PC104模塊的接受中斷，PC104模塊在中斷中讀取CY7C09449雙口RAM中的數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)的ID碼來區(qū)分是從哪塊驅(qū)動板來的數(shù)據(jù)加以處理。反之，PC104模塊把計算出的指令，根據(jù)對象的不同，加上ID碼組成數(shù)據(jù)，寫入CY7C09449并觸發(fā)單片機P80C592中斷，單片機從雙口RAM中讀出改數(shù)據(jù)，再傳送到內(nèi)部的CAN模塊，CAN模塊把數(shù)據(jù)傳給82C251，再由82C251把數(shù)據(jù)傳到CAN總線上，由相應的驅(qū)動板接收[5]。

CAN控制器和總線上設備的交互與其控制段、發(fā)送緩沖層、接收緩沖層密切相關(guān)，其驗收碼寄存器的驗收碼位(AC.7～AC.0)和報文標識符的最高8位(ID.10～ID.3)必須等于由驗收屏蔽位(AM.7～AM.0)屏蔽的那些位。若滿足下列等式，則予以驗收：

[(ID.10～ID.3) =(AC.7～AC.0)] OR (AM.7～AM.0) =11111111B

（2）具體保護電路及措施

光電隔離：利用光耦器件實現(xiàn)CAN控制器與收發(fā)器的物理隔離，實現(xiàn)保護。

電容濾波：CANH和CANL與地之間接30 pF的電容濾除總線上的高頻干擾，抑制電磁輻射。

TVS管保護：在CANH與CANL之間以及CANH、CANL與地之間分別接上一個6.8 V的瞬態(tài)電壓抑制二極管（TVS），防止瞬間的差模以及共模電壓損壞電路。正常工作狀態(tài)下，瞬態(tài)抑制二極管工作在反向偏置狀態(tài)，相當于開路；當產(chǎn)生較高的瞬態(tài)電壓時，瞬態(tài)抑制二極管的阻抗瞬間降到很低，為大電流提供一個額外通路，同時將電壓鉗位至正常電壓[6]。

PPTC電阻：TVS管后連接PPTC電阻（自恢復保險絲），正常工作狀態(tài)下阻抗很小，相當于通路；當電流過大時，PPTC電阻內(nèi)部熔斷，阻抗變大，將電流降至安全范圍內(nèi)，以此實現(xiàn)對總線的限流保護。

2.2 基于CAN總線接口軟件設計

軟件采用匯編語言編寫，具體的流程如圖3～圖6所示。

圖3 主程序框圖

圖4 CAN模塊初始化框圖

圖5 接受中斷程序框圖

圖6 發(fā)送中斷程序框圖

3 結(jié)束語

本文設計的CAN總線接口目前已經(jīng)在該控制系統(tǒng)中實際使用，完全符合系統(tǒng)工作要求，運行良好，具有良好的電磁防護和抗干擾能力。CAN總線技術(shù)在伺服控制中的應用前景，能在可靠性、高精度、經(jīng)濟性等多方面獲得最大的效益；以工業(yè)標準PC/104為代表的嵌入式控制系統(tǒng)具有突出的優(yōu)點，十分適合于工業(yè)環(huán)境的要求。