第12章综合实例——工业CAN网络控制系统节点设计-Read.ppt

1、第12章 综合实例工业CAN网络控制系统节点设计,本章通过一个在工业上实际使用的实例，讲解CAN网络控制系统的设计方法，及其CAN通讯协议的基本制定过程。通过该实例，读者能够学习到CAN网络通讯、CAN通讯协议制定各方面的知识。,12.1 系统结构与分析,在工业现场，往往需要通过一个主机对分布在厂房各处的设备进行控制和监控，利用CAN网络，可以有效的组织各个设备的通讯与管理。,12.1.1 工业CAN网络控制系统节点功能分析,在工业现场，大部分控制与监控只需要对输入输出的数字信号进行管理即可，因此本章设计的工业CAN网络控制系统节点，需要具备以下的功能。硬件具备足够数量的数字信号输入端口（=1

2、2）；硬件具备足够数量的数字信号输出端口（=12）；硬件具备总线通讯能力，总线负荷结点数=50个，通讯能力不小于250kbsp，根据需要综合考虑选用CAN总线通讯系统；,12.1.1 工业CAN网络控制系统节点功能分析,硬件具备显示时钟能力，时钟可以根据需要由总线设置；硬件具备232/485接口，与智能仪表进行通讯；硬件具备相当的抗干扰能力，能够满足现场条件的稳定运行；在满足上述条件下尽可能减小成本。,12.1.2 工业CAN网络控制系统分析,本章介绍的工业CAN网络控制系统，通过CAN网络对各个分布节点的数字量输出信号进行控制，同时监控分布节点的数字量输入信号，并通过232/485协议读取智

3、能仪表的测量值，通过CAN网络采集到系统主机，在各个节点处相应有LED显示状态。,12.2 CAN总线知识简介,CAN，全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。最初，CAN是作为汽车环境中的微控制器通讯而设计的，因此在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络方面得到了大量的应用。例如发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统等等，均具备CAN通讯的能力。随着CAN总线的发展，CAN总线也被广泛应用于工业控制。,12.2.1 CAN总线的特点,CAN总线是一种多节点的无主从竞争网络，其具备以下一些突出

4、的特点。低成本；极高的总线利用率；很远的数据传输距离(长达10Km)；高速的数据传输速率（高达1Mbit/s）；,12.2.1 CAN总线的特点,可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文；可靠的错误处理和检错机制；发送的信息遭到破坏后，可自动重发；节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能；报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。,12.2.2 CAN总线的物理层,CAN总线的物理层通过两根导线将所有设备连接到一起，这两个导线称为CANH和CANL。由于CAN协议没有对CAN总线的通讯介质作出规定，因此CAN总线的通讯介质可以是屏蔽双绞线或者光缆等常用的通讯线路。如图所

5、示为简单的CAN总线拓扑结构。,12.2.3 CAN总线的报文帧,为了实现CAN总线的通讯功能，CAN通讯协议中定义了四种不同的通讯报文帧。 数据帧：数据帧携带数据从发送器至接收器； 远程帧：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧； 错误帧：任何单元检测到总线错误就发出错误帧； 过载帧：过载帧用以在先行的和后续的数据帧（或远程帧）之间提供一附加的延时。12.2.3.1 数据帧12.2.3.2 远程帧12.2.3.3 错误帧12.2.3.4 过载帧,12.2.4 CAN总线的仲裁,当CAN总线上两个节点同时发送信息时，就需要进行CAN总线的仲裁。CAN总线以报文为单位进行数据传送，报

6、文的优先级结合在11位/29位标识符中，具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。这种优先级一旦在系统设计时被确立后就不能再被更改，总线读取中的冲突可通过位仲裁解决。当CAN网络上两个节点同时发送消息时，就要发生CAN总线的仲裁，总线状态由节点中的显性位所决定，因此，当一个节点发送的仲裁域出现隐形位时，节点将检查总线状态是否与自己状态一致，当发现总线被显性状态所占据时，说明有更高优先级的节点正在发送信息，该节点自动停止发送，等待下一次总线空闲时再尝试发送。,12.3 工业CAN网络控制系统节点硬件电路设计,在本节中从各个子系统详细介绍工业CAN网络控制系统节点的硬件电路设计，包括单片机最小系统、

7、CAN控制器电路、CAN收发器电路、时钟显示电路、输入输出控制电路和跑马灯电路等部分。,12.3.1 AT89S51单片机最小系统电路,在该设计中采用了AT89S51单片机作为核心处理器，因此在电路中首先需要设计的是AT89S51的最小系统。AT89S51单片机的最小系统电路包含以下几个部分：单片机供电电路：AT89S51需要具有可靠的5V供电，在电路图中的VCC和GND为供电网络标识符；振荡电路：AT89S51需要一个稳定的振荡电路才能够正常工作，在该电路采用了24Mhz的晶振作为AT89S51的时钟源；复位电路：复位电路是单片机正常运行的一个必要部分，复位电路应该保证单片机在上电的瞬间进行

8、一次有效的复位，在单片机正常工作时将RST引脚置低。此外通过一个按键进行手动复位，在单片机运行不正常时使用。,12.3.2 CAN总线控制电路,CAN控制器电路采用Philips公司生产的SJA1000并行接口CAN控制器，SJA1000是一款独立的控制器，用于汽车和一般工业环境中的控制器局域网络(CAN)。12.3.2.1 SJA1000的性能指标SJA1000是PHILIPS半导体PCA82C200 CAN控制器(BasicCAN)的替代产品，它增加了一种新的工作模式（PeliCAN），这种模式支持具有很多新特性的CAN 2.0B协议，具体性能指标如下。12.3.2.3 SJA1000的滤

9、波工作方式使用SJA1000时要注意SJA1000的验收滤波器的使用才能够正确的从CAN总线上接收正确的数据。12.3.2.4 SJA1000的接口电路,12.3.3 CAN收发器电路,CAN收发器采用Philips公司生产的PCA82C250专用高速CAN收发器，PCA82C250是CAN协议控制器和物理总线之间的接口，该器件对总线提供差动发送能力，并对CAN控制器提供差动额接收能力，具有体积小，耗电低，工作稳定，抗干扰能力强的特点。 12.3.3.1 PCA82C250的性能指标12.3.3.2 PCA82C250的引脚定义12.3.3.3 PCA82C250的CAN驱动电路设计,12.3

10、.4 时钟显示电路,时钟显示采用了共阴极的LED数码管，为了减小对单片机引脚的占用和降低成本，采用Maxim公司生产的MAX7219串行LED数码管驱动器，MAX7219是美国MAXIM公司生产的串行输入输出共阴极显示驱动器。该芯片可直接驱动最多8位7段数字LED显示器，或64个LED和条形图显示器。它与微处理器的接口非常简单，仅用3个引脚与微处理器相应端连接即可实现最高10MHz串行口。12.3.4.1 时钟显示电路设计具体电路设计如图12.23所示，MAX7219与AT89S51单片机连接采用三线串行接口。对于MAX7219，串行数据是以16位数据包的形式从DIN脚串行输入，在CLK的每一

11、个上升沿一位一位地送入芯片内部16位移位寄存器。,12.3.5 数字量输入输出,数字量输入/输出接口电路主要是用于工业控制时的逻辑输入和输出，设计要求大于12路输入/输出，由于数字核心单片机的引脚有限，要实现如此之多的输入输出必须要进行IO扩展。如果使用逻辑电路进行扩展，电路复杂程度和成本都会比较高，因此采用Atmel公司生产的AVR单片机Atmega 48进行数字端口的扩展，该单片机成本只要5元左右，却能够实现19路的数据量，在该电路使用中无需晶振电路，几乎所有的引脚都可以用来作为IO扩展接口，,12.3.6 跑马灯及其他接口电路,为了调试方便，在电路中外扩了8位跑马灯，为了减少端口使用，将

12、跑马灯电路与ID设置电路进行了复用，具体电路设计如图所示，此外，也为电路留出了RS232接口，CAN和电源接口。,12.3.7 工业CAN网络控制节点总电路,由以上的设计分析可以得到如图所示的节点硬件电路图。,12.4 工业CAN网络控制系统通讯协议设计,本节讲解工业CAN网络控制系统节点的通讯协议设计，该通讯协议基于CAN总线在工业上的标准通讯协议CANOpen进行简化并制定，本章仅仅选取了部分重要的协议部分进行讲解，具体细节读者可以参考CANOpen协议标准。,12.4.1 拓扑结构与接口定义,本章介绍案例的工业现场控制系统的网络拓扑图如图所示，控制主机通过CAN总线控制现场设备进行数字量

13、的输入和输出操作。,12.4.2 通讯约定协议,通讯约定协议是指网络中约定的统一通讯参数，通讯约定是所有节点能够正常连接的基本条件。12.4.2.1 通信节点及约束通信节点包括控制主机（MCC）和现场设备节点（ETN），一个网络允许一个MCC及一个或多个ETN，网络中至多允许126个ETN。,12.4.2 通讯约定协议,12.4.2.2 信息交换方式网络工作在主/从通讯模式，网络中只允许MCC和ETN之间的通信，MCC为主设备，ETN为从设备。MCC以单播或广播的方式进行通信，ETN接收对应ID的单播数据和所有的广播数据；ETN只向MCC发送单播数据。不允许ETN发送多播数据，不允许ETN之间

14、的通信。,12.4.2 通讯约定协议,12.4.2.3 通信数据速率CAN网络速率为250Kbps。12.4.2.4 数据刷新速率以250Kbps运行的CAN网络，网络的满负荷帧率约为2000frps。为保证各ETN有足够时间处理数据，ETN发送帧率小于5frps。,12.4.2 通讯约定协议,12.4.2.5 帧格式网络中采用CAN标准帧进行通信，每帧包括11位标识符（ID）、数据长度码（DLC）、远程传送请求位（RTR）、最多8个字节的数据等由用户设置的内容。此外，每帧还有CAN标准规定的帧起始、校验、分割、应答等。,12.4.3 标识符定义,在采用标准帧进行通信时，CAN对象标识符（CO

15、B-ID）为11位，其中高四位为功能代码，低7位是节点标识符。标识符的定义如表12.1所示。12.4.3.1 功能代码功能代码定义了功能代码值的范围是0x00H 0x0EH，其中0x00H - 0x02H对应于CANOpen中预定义主从连接集的广播对象，0x03H 0x0EH对应于CANOpen中主从连接集的对等对象。,12.4.3 标识符定义,12.4.3.2 广播对象广播对象包括网络管理（NMT，Network ManagemenT）模块控制（Module Control）、同步（SYNC，SYNChronize）、时间戳（TIME，Time Stamp），如表所示。,12.4.3 标识符

16、定义,12.4.3.3 对等对象对等对象包括紧急消息（EMCY，EMergenCY）、过程数据对象（PDO，Process Data Object）、服务数据对象（SDO，S1ervice Data Object）、网络管理错误控制（NMT，NMT Error Control）五类。,12.4.3 标识符定义,12.4.3.4 节点标识符（NID）分配NID从01H到7EH为ETN所用，7FH（全1）为MCC所用。在实际的网络通信中，所有对等对象的NID始终表现为ETN的NID，即在所有的对等对象通信中，主控电脑发送的帧以实验台节点的NID作为的地址，实验台节点发送的帧以自身的NID作为源地址

17、，所有广播帧的NID为0，如表所示。,12.4.4 过程数据对象（PDO）,网络报文数据共8个字节，分别表示为Byte 0, Byte 1, , Byte 7。每个字节8位，表示为：b0, b1, , b7，位序表示为b7, b6, , b0。即在网络上串行发送数据时，每字节的最高位被首先发送，最低位被最后发送。字节序及位序的定义见如表所示。,12.4.4 过程数据对象（PDO）,12.4.4.1 PDO1PDO1发送对象负责关于现场设备状态的一切设定与读取，如开关量设定、初始状态设定、状态读取、其他数据读取等。PDO1接收对象完成PDO1发送对象中设定情况的反馈，依据命令返回现场设备的开关状

18、态及其他状态。PDO1和PDO2对象成对出现。PDO1发送的COB-ID为384+NID，数据长度为自定义，数据帧。PDO1接收的COB-ID为512+NID，数据长度为自定义，数据帧。,12.4.4 过程数据对象（PDO）,12.4.4.2 PDO2PDO2发送对象负责向现场设备上的智能仪表发送命令，PDO2接收对象将智能仪表的反馈发送回主机。智能仪表接在485总线上。PDO2发送的COB-ID为640+NID，数据长度自定义，数据帧。PDO2接收的COB-ID为768+NID，数据长度自定义，数据帧。,12.4.4 过程数据对象（PDO）,12.4.4.3 PDO3PDO3用来实现现场设备

19、上LCD等显示信息的控制，现场设备内容的反馈等。12.4.4.4 PDO4PDO4保留，用于未来的使用。,12.4.5 服务数据对象（SDO）,服务数据对象参考CANOpen协议标准CiA DS/301，9.2.2制定。SDO对象用来实现对现场设备管理、过程控制等信息。12.4.5.1 SDO(发送/服务器)12.4.5.2 SDO（接收/客户）,12.4.6 同步对象（SYNC）,同步对象参考CANOpen标准协议：CiA DS/301，9.2.3制定。同步对象由NMT主机周期性的广播发出，间隔时间约定为5秒。消息自主机初始化完毕后开始发出，所有从节点在进入“预运行”状态后，须等待此消息。该

20、对象的COB-ID为128，数据长度为0，数据帧。,12.4.7 时间戳对象（TIME）,时间戳对象参考CANOpen标准协议：CiA DS/301，9.2.4制定。ETN在收到时间戳对象后，将本地时间设定为时间戳指定的时间，并重新开始计时。由于网络传输等原因造成的时间误差暂不予考虑。该对象的COB-ID为256，数据长度为3，数据帧。数据格式为“时、分、秒”，数据格式为unsigned char，如表所示。,12.4.8 紧急对象（EMCY）,紧急对象参考CANOpen标准协议：CiA DS/301，9.2.5制定。CAN通信过程中，在执行某些命令时发生的响应错误在相应对象中已经实现的，均不

21、在此实现。另，ETN的严重错误需要通过SDO对象通知MCC。ETN的其余错误均通过EMCY发出，但不影响整个实验的进行，具体错误代码如表所示。,12.5 工业CAN网络控制节点程序设计,本章介绍该案例的程序设计，同样，对一这样一个大的工程，需要将程序利用不同的C文件和H头文件进行组织，该系统程序的工程文件结构。,12.5.1 SJA1000芯片寄存器与关键字定义,SJA1000.h定义了和CAN控制器芯片SJA1000相关的所有寄存器和控制字，及其SJA1000相关寄存器地址，具体代码如下。,12.5.2 SJA1000.c底层驱动函数库,SJA1000.c包含了SJA1000的底层驱动函数，

22、具体代码如下。(具体内容请参照本书),12.5.3 时钟操作定义,Timer_defs.h头文件里定义了与时钟操作相关的具体变量，具体代码如下。(具体内容请参照本书),12.5.4 时钟操作函数库,Timer_funcs.c文件中包含了所有关于时钟操作的函数，是这些函数的实体文件，具体代码如下所示。(具体内容请参照本书),12.5.5 485信息定义,_485_defs.h头文件中包含了485通讯需要的相关头文件定义，具体代码如下所示。(具体内容请参照本书),12.5.6 485通讯函数库,_485_funcs.c包含了所有关于485通讯的函数，注意在本案例设计中，485驱动芯片是外置，在本案

23、例中仅仅输入和输出逻辑信号。(具体内容请参照本书),12.5.7 Max7219寄存器与关键字定义,max7219.h中定义了所有关于LED数码管驱动的寄存器和寄存器地址，具体代码如下所示。(具体内容请参照本书),12.5.8 Max7219数码管驱动函数库,max7219.c定义了操作MAX7219对LED数码管进行驱动的函数，具体代码如下。(具体内容请参照本书),12.5.9 数码管操作函数库,DIG_funcs.c函数中包含了所有关于数码管操作的功能函数，具体代码如下。(具体内容请参照本书),12.5.10 CAN总线操作函数库,CAN_funs.c函数中包含了CAN总线的一般操作函数，

24、这些函数都是在SJA1000底层函数的基础上编写的，具体代码如下。(具体内容请参照本书),12.5.11 输入输出管理函数,atmega48.c是管理节点19路输入输出接口的函数，内部实际上就是和atmega48进行SPI通讯的函数，具体代码如下。(具体内容请参照本书),12.5.12 综合节点功能函数,该文件是实现整个CAN网络系统的综合功能节点，其中的函数实现了整个定义的CAN通讯协议，具体代码如下所示。(具体内容请参照本书),12.5.13 引脚定义,pin_defs.h定义了所有的引脚功能分布，具体代码如下所示。(具体内容请参照本书),12.5.14 CAN操作函数声明,xkcan.h对大部分功能函数进行了声明，具体代码如下。(具体内容请参照本书),12.5.15 特殊变量定义,xkcan_defs.h定义了在操作中需要用到的一些特殊变量和特殊定义，具体代码如下。(具体内容请参照本书),