CAN總線技術(shù)在車站信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、CAN總線的技術(shù)規(guī)范 　　

CAN總線技術(shù)規(guī)范的目的是使任意兩個(gè)CAN總線的執(zhí)行過程達(dá)到兼容，CAN技術(shù)規(guī)范版本2.0包括兩部分內(nèi)容： 　　

1） CAN技術(shù)規(guī)范版本2.0A 　　

CAN技術(shù)規(guī)范版本2.0A描述的是在CAN技術(shù)規(guī)范1.2中定義的CAN報(bào)文格式，其范圍是定義傳輸層和與CAN有關(guān)的外層。在CAN技術(shù)規(guī)范版本2.0A中，CAN節(jié)點(diǎn)的分層結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。

由于串行通信進(jìn)入了更多應(yīng)用領(lǐng)域，因此要求各種應(yīng)用領(lǐng)域通信功能報(bào)文標(biāo)識(shí)符標(biāo)注實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。如果把原有的11個(gè)標(biāo)識(shí)符定義的地址范圍加以擴(kuò)展，CAN總線的功能將更加完善。因而，在引入了第二種報(bào)文格式（擴(kuò)展格式）后，它可以提供由29位定義的更大地址范圍，這就很好的解決了系統(tǒng)設(shè)計(jì)者在定義結(jié)構(gòu)名稱方面存在的問題，從而CAN技術(shù)規(guī)范版本2.0B也就相應(yīng)的出現(xiàn)了。

　　　　　　　　　　（a） 2.0A中節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖 （b） 2.0B中分層結(jié)構(gòu) 　　圖1 　　

2） CAN技術(shù)規(guī)范版本2.0B 　　

CAN技術(shù)規(guī)范版本2.0B描述標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展兩種報(bào)文格式。在CAN技術(shù)規(guī)范版本2.0B中，CAN遵從OSI模型，按照OSI基準(zhǔn)模型，CAN節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)可以分為兩層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，具體如圖1（b）所示。

2、CAN總線通信控制器SJA1000的簡(jiǎn)介 　　

CAN總線通信控制器主要由實(shí)現(xiàn)CAN總線協(xié)議的電路和實(shí)現(xiàn)與微處理器接口的電路兩部分組成，它是完成通信協(xié)議的主體。對(duì)于不同型號(hào)的CAN總線通信控制器，實(shí)現(xiàn)CAN總線協(xié)議部分電路的結(jié)構(gòu)和功能大多相同，而與微處理器接口部分的電路結(jié)構(gòu)和連接方式存在一些差異。這里主要以SJAl000為代表對(duì)CAN總線通信控制器的功能作一簡(jiǎn)單介紹。

SJAl000是一種獨(dú)立CAN控制器。它是PHILIPS公司的PCA82C200CAN控制器的替代產(chǎn)品，SJAl000的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)和外部接口如圖2所示。

圖2 SJA1000內(nèi)部邏輯框圖及外部接口 　　

在性能方面，除了SJAl000在軟件和引腳上與它的前—款PCA82C200獨(dú)立CAN控制器兼容之外，其還增加了很多新的功能。在具體應(yīng)用中，SJAl000采用了兩種工作方式：Basic CAN方式（PCA82C200兼容方式）和PeliCAN方式（擴(kuò)展特性方式），這是SJAl000實(shí)現(xiàn)其兼容性的基礎(chǔ)。SJAl000的兩種工作方式是通過時(shí)鐘分頻寄存器中的CAN方式位來選擇的，其中上電復(fù)位的默認(rèn)工作方式是Basic CAN方式。在PeliCAN方式下，SJAl000有一個(gè)重新設(shè)計(jì)的含很多新功能的寄存器組。SJAl000包含PCA82C200中的所有位，同時(shí)增加了一些新的功能位。PeliCAN方式支持CAN2.0B協(xié)議規(guī)定的所有功能（29位的標(biāo)識(shí)符）[2]。

3、SAJ1000與Atmega128單片機(jī)接口技術(shù)的實(shí)現(xiàn) 　　

在SJA1000的主要特性介紹中，提到其支持多種微處理器接口，在具體設(shè)計(jì)中，我們主要研究了其與Atmega 128單片機(jī)的接口，設(shè)計(jì)了用于CAN通信的最小單片機(jī)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱CAN通信系統(tǒng)）接口方式如圖3所示。系統(tǒng)的通信部分主要有Atmega 128單片機(jī)、SJA1000CAN控制器、光電隔離部分和收發(fā)芯片組成。

圖3 單片機(jī)與SJA1000接口框圖 　　

TJA1050是PHILIPS公司生產(chǎn)的、用以替代82C250的高速CAN總線驅(qū)動(dòng)器，是CAN控制器和物理總線之間的接口，可以提供向總線的差動(dòng)發(fā)送能力和對(duì)CAN控制器的差動(dòng)接收能力，其與ISO/DIS 11898標(biāo)準(zhǔn)完全兼容[3]。

光電隔離部分是為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，不過，應(yīng)該特別說明的一點(diǎn)是，光電耦合部分電路所采用的兩個(gè)電源必須完全隔離，否則采用光電耦合也就失去了意義。電源的完全隔離采用小功率電源隔離模塊實(shí)現(xiàn)。這部分雖然增加了接口電路的復(fù)雜性，但是卻提高了節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性。

4、CAN結(jié)點(diǎn)通信軟件的設(shè)計(jì) 　　

SJA1000是I/O設(shè)備基于內(nèi)存編址的微控制器，雙設(shè)備獨(dú)立操作通過像RAM一樣的片內(nèi)寄存器修正來實(shí)現(xiàn)。因此CAN總線通信部分編程主要就是對(duì)SJAl000的片內(nèi)寄存器的讀寫操作。通信部分軟件設(shè)計(jì)總體上可以劃分為3大模塊：總線初始化、數(shù)據(jù)幀的接收和發(fā)送、總線出錯(cuò)和異常處理。

4.1 CAN通信初始化

圖4 CAN初始化程序 　　

其主要是設(shè)置CAN的通信參數(shù)。需要初始化的寄存器有：總線定時(shí)寄存器0、總線定時(shí)寄存器1、輸出控制寄存器、接收代碼寄存器、接收屏蔽寄存器等等。需要注意的是，只有當(dāng)控制寄存器中的復(fù)位要求位置為高時(shí)，這些寄存器才可被訪問。因此，在對(duì)這些寄存器初始化前，必須確保系統(tǒng)進(jìn)入了復(fù)位狀態(tài)。在訪問總線定時(shí)寄存器時(shí)，由于其內(nèi)容決定波特率的數(shù)值，總線定時(shí)寄存器的初始化字必須依據(jù)系統(tǒng)中各CAN控制器的晶振頻率而設(shè)定。初始化程序的流程圖如圖4所示[4]。

4.2 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收程序 　　

信息從CAN控制器發(fā)送到CAN總線是由CAN控制器自動(dòng)完成的。發(fā)送程序只需把發(fā)送的信息幀送到CAN的發(fā)送緩沖區(qū)，啟動(dòng)發(fā)送命令即可。需要注意的是，發(fā)送中斷不是由于發(fā)送完成而產(chǎn)生，而是由于發(fā)送緩沖區(qū)再次可用而產(chǎn)生的。

信息從CAN總線到CAN接收緩沖區(qū)是由CAN控制器自動(dòng)完成的。接收程序只需從接收緩沖區(qū)讀取要接收的信息即可。需要注意的是，讀取接收緩存器（RBF0或 RBF1）的內(nèi)容后，CPU必須通過置位釋放接收緩存位來釋放緩存器，使得另一個(gè)報(bào)文立即變得有效。數(shù)據(jù)發(fā)送和接收中斷流程圖如圖5所示。

圖5 CAN通信數(shù)據(jù)發(fā)送和接收中斷 　

4.3 總線出錯(cuò)和異常處理 　　

CAN總線作為一種優(yōu)良的串行通信局域網(wǎng)絡(luò)，它自身的查錯(cuò)和排錯(cuò)能力相當(dāng)強(qiáng)大，因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須充分利用這一點(diǎn)，提高通信系統(tǒng)的可靠性。CAN協(xié)議規(guī)定網(wǎng)絡(luò)上的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)其錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器中的數(shù)值，可能處于下列3種狀態(tài)之一：“錯(cuò)誤—激活”狀態(tài)、“錯(cuò)誤—認(rèn)可”狀態(tài)、“總線脫離”狀態(tài)。處于前兩種狀態(tài)時(shí)節(jié)點(diǎn)都可以參與總線通信，而當(dāng)處于“總線脫離”狀態(tài)時(shí)節(jié)點(diǎn)既不發(fā)送，也不接收任何數(shù)據(jù)幀。同時(shí)CAN協(xié)議還對(duì)脫離總線節(jié)點(diǎn)重新參與總線通信有嚴(yán)格規(guī)定。

由于節(jié)點(diǎn)自身的原因或是其它原因，節(jié)點(diǎn)脫離總線，不參與通信，出現(xiàn)這種情況程序要做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并且迅速做出有效處理，使之恢復(fù)參與總線通信。判斷節(jié)點(diǎn)是否脫離總線同樣既可通過查詢方式，又可通過中斷方式。而處于“總線脫離”狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)通信功能的恢復(fù)，必須嚴(yán)格依照CAN協(xié)議規(guī)定的流程做，否則節(jié)點(diǎn)將一直處于“總線脫離”狀態(tài)。

5、總結(jié) 　　在車站信號(hào)系統(tǒng)中，用CAN總線代替RS-485總線，其數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，而且通信距離也有了很大的提高，這些都在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中得到了證實(shí)，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：用CAN總線代替車站信號(hào)系統(tǒng)所使用的RS-485總線，在軟/硬件設(shè)計(jì)中均采用了模塊化的方案，具有更高的靈活性和廣泛的適用性；同時(shí)，用Atmega128單片機(jī)代替車站信號(hào)系統(tǒng)中所使用的Atmel8535單片機(jī)，使運(yùn)行的速度也得到了提高。