CAN總線與一般的串行通信總線相比，它的數據通信具有可靠性高，實時性高，靈活性強等優(yōu)點，不僅廣泛應用于汽車行業(yè)，而且擴展到了機械工業(yè)、機器人、數控機床等諸多領域。尤其在大量數據通信處理中，高可靠性及實時響應的場合，單通道CAN總線不能滿足實際通信的要求。為此，介紹一種基于多通道" title="多通道">多通道實時CAN模擬器的設計方案。
1 CAN總線技術介紹
1．1 CAN總線特性
CAN(Controller Area BOSCH公司為汽車的監(jiān)測、控制系統(tǒng)而設計的。由于CAN總線具有卓越的特性和極高的可靠性，特別適合于工業(yè)過程中監(jiān)控設備的互連，具體來說，CAN具有如下特性：
(1)CAN可以多主方式工作，網絡上任意一個節(jié)點均可以在任意時刻主動地向網絡上的其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活；
(2)CAN可以點對點、點對多點(成組)及全局廣播方式傳送接收數據；
(3)CAN網絡上的節(jié)點信息可分成不同的優(yōu)先級，可以滿足不同的實時要求；
(4)CAN采用非破壞性總線仲載技術。當兩個節(jié)點是向網絡上發(fā)送數據時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數據發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可以不受影響地繼續(xù)傳輸數據，大大節(jié)省了總線仲載沖突時間，在網絡負載很重的情況下也不會出現(xiàn)網絡癱瘓；
(5)CAN的直接通信距離最大可達10 km(速率小于5 Kb／s)，最高通信速率可達1 Mb／s。
1．2 CAN通信協(xié)議
在CAN 2．0B的版本協(xié)議中有兩種不同的幀格式，不同之處為標識符域的長度不同，含有11位標識符的幀稱為標準幀，而含有29位標識符的幀稱為擴展幀。擴展格式是CAN 2．0B協(xié)議新增加的特性。在報文傳輸時，不同的幀具有不同的傳輸結構，只有嚴格按照該結構進行幀的傳輸，才能被節(jié)點正確接收和發(fā)送。下面將分別介紹四種傳輸幀的結構：
(1)數據幀(Data)：數據幀將數據從發(fā)送器傳輸到接收器。CAN協(xié)議有兩種數據幀類型標準2．0A和標準2．0B。兩者本質的不同在于ID的長度不同。在2．0A類型中，ID的長度為11位；在2．0B類型中，ID的長度為29位。它由7個域組成：幀起始、仲裁域、控制域、數據域、CRC校驗碼域、應答域、幀結束。
(2)遠程幀(Remote)：總線單元發(fā)出遠程幀，請求發(fā)送具有同一標識符的數據幀。接收數據的節(jié)點可通過發(fā)遠程幀請求源節(jié)點發(fā)送數據。它由6個域組成：幀起始、仲裁域、控制域、校驗域、應答域、幀結束。
(3)錯誤幀(Error)：任何單元檢測到總線錯誤就發(fā)出錯誤幀。由錯誤標志和錯誤分界兩個域組成。接收節(jié)點發(fā)現(xiàn)總線上的報文有誤時，將自動發(fā)出“活動錯誤標志”，其他節(jié)點檢測到活動錯誤標志后發(fā)送“錯誤認可標志”。
(4)過載幀(Overload)：過載幀用在相鄰數據幀或遠程幀之間提供附加的延時。由超載標志和超載分隔符組成。超載幀只能在一個幀結束后開始。當接收方在接收下一幀之前，需要過多的時間處理當前的數據，或在幀間空隙域檢測到顯性電平時，則導致發(fā)送超載幀。
1．3 CAN協(xié)議控制器
目前主流的CAN協(xié)議控制器一般采用I／O總線(SJA1000等)或SPI接口(M(2P2515等)與處理器進行通信。該設計采用SJA1000控制器。
SJA1000是一款獨立CAN控制器，應用于移動目標和工業(yè)局域網控制領域。SJA1000具有兩種工作模式：BasicCAN和PeliCAN。該設計采用PeliCAN工作模式。SJA1000用來完成CAN協(xié)議所規(guī)定的物理層和數據鏈路層的所有功能，它可以支持多種處理器的時序特性，如Intel模式或Motorola模式，與微處理器的接口非常簡單，微處理器以訪問外部存儲器的方式來訪問SJA1000。
SJA1000通過CAN控制器接口即PCA82C250芯片接到CAN總線上。CAN收發(fā)器使用飛利浦公司的PCA82C250，它是連接CAN控制器和物理總線之間的接口，提供了對總線的差動發(fā)動和接收能力，與ISO11898標準完全兼容，有三種不同的工作方式即高速、斜率控制和待機，可根據實際情況選擇。硬件電路中使用PCA82C250是為了增加通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護總線，降低干擾等。
2 系統(tǒng)設計
2．1 系統(tǒng)方案設計
根據通用計算機的總線分類，可采用基于ISA總線對多通道實時CAN總線模擬器" title="CAN總線模擬器">CAN總線模擬器進行研制，根據CAN總線通信原理可以提出以下兩種設計方案：
(1)ISA總線+CAN通信控制器；
(2)ISA總線+微處理器+CAN通信控制器。這兩種設計方案的不同點在于是否采用處理器來加強控制。
由于CAN總線通信要求實時性高，再加上多通道的設計滿足實際的需要，故采用單片機來負責CAN總線的通信功能。在這里主要介紹單片機與CAN控制器之間的設計部分，其系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。
單片機選用DALLAS公司的DS89C430，它是當前8051兼容微控制器中性能最高的。具有重新設計的處理器內核，在相同的晶振頻率下，執(zhí)行指令的速度是最初8051微處理器的12倍。特性：高速8051架構，每個機器周期一個時鐘；片內存儲器16 KB／32 KB／64 KB閃存，在應用可編程，通過串口實現(xiàn)在系統(tǒng)可編程；與8051引腳和指令集兼容；四路雙向、8位I／O端口；三個16位定時器／計數器；256 B暫存RAM等特點。可根據實際應用的需要選擇其部分功能。隨著可編程邏輯器件的飛速發(fā)展，其應用領域不斷擴大，可用于譯碼、解碼等方面，使用CPLD可以提高系統(tǒng)集成度，降低噪聲，增強系統(tǒng)可靠性。因此，單片機與CAN控制器之間的鎖存、譯碼采用Xilinx公司XC95144CPLD芯片，優(yōu)化了系統(tǒng)資源，降低了其功耗。
2．2 系統(tǒng)硬件設計
該部分由單片機、CAN控制器、CAN收發(fā)器、SRAM存儲器組成。單片機主要用于系統(tǒng)計算及信息處理等功能；CAN控制器主要用于系統(tǒng)通信；CAN收發(fā)器主要用于增強系統(tǒng)的驅動能力；SRAM主要用于緩存數據。系統(tǒng)的發(fā)送過程是：單片機將外圍設備傳送過來的信息處理后，按CAN規(guī)范規(guī)定的格式，將其寫入CAN控制器的發(fā)送緩沖區(qū)，并啟動發(fā)送命令，把數據發(fā)送到CAN總線上；接收過程是：CAN控制器從CAN總線上自動接收數據，并經過濾后存入CAN接收緩沖區(qū)，且向單片機發(fā)出中斷請求，此時單片機可從CAN接收緩沖區(qū)讀取要接收的數據。SJA1000提供的微處理器接口方式為典型INTEL或MOTOROLA-p.htm" target="_blank" title="MOTOROLA貨源和PDF資料">MOTOROLA地址數據多路復用總線模式。主要信號有地址數據信號AD7～AD0，地址選通信號ALE，片選信號CS，讀信號RD，寫信號WR，模式選擇信號MODE。當MODE=1時，為INTEL模式；當MODE=0時，為MOTOROLA-p.htm" target="_blank" title="MOTOROLA貨源和PDF資料">MOTOROLA模式。后面描述的總線模式均為INTEL模式。AD7～AD0引腳在ALE有效時，傳送的是地址信號，在RD或WR有效時，傳輸的是數據信號，在這里分別與單片機的PO口相連，RD，WR信號線分別與單片機的讀／寫信號線相連。具體方案如圖2所示。限于篇幅限制，虛線內給出1路CAN的連接圖，2路CAN有同樣的連接方法。
SRAM和CAN控制器的片選信號。由于單片機可以查詢或中斷方式訪問，在此采用中斷方式進行CAN多通道選擇訪問，以滿足不同通信速率下數據處理的需要。SRAM的地址線與數據線是分開的，故采用74LS373鎖存器實現(xiàn)鎖存功能?？刹捎肵C95144CPLD芯片以及VHDL硬件描述語言以實現(xiàn)鎖存、譯碼等功能。
2．3 CPLD設計部分
2．3．1 結構設計
CPLD的輸入信號是單片機發(fā)送的信號，由高位地址A[15．．8]、ALE鎖存信號、中斷信號以及寫／讀信號組成。地址線A14和A15經譯碼后作為片選信號，ALE實現(xiàn)低8位地址線的鎖存。實體和構造體部分代碼如下所示：
2．3．2 仿真結果
該模塊在Xilinx ISE 9．1工具下進行綜合，并在結合ModelSim環(huán)境下進行功能仿真。其仿真結果如圖3所示。
3 軟件設計
該系統(tǒng)軟件設計的關鍵是通信程序設計。通信軟件由三部分組成：單片機和CAN控制器的初始化程序、CAN發(fā)送程序、CAN接收程序。對于初始化程序，采用MAX232芯片對單片機進行在線編程，可同時對多通道CAN控制器初始化。對于CAN控制器的初始化程序，主要是通過對CAN控制器控制段中的寄存器寫入控制字，從而確定CAN控制器的工作方式等，即通過上電復位、硬件復位或軟件復位給CAN控制器發(fā)一個復位請求，便可進入初始化。在復位期間，對必需的寄存器進行設置。對于發(fā)送和接受程序，只需把到來的信息幀送到CAN的發(fā)送或接受緩沖區(qū)，同時啟動命令即可。二者可采用查詢方式或中斷方式，對于中斷方式，程序分為主程序和中斷服務程序兩部分設計。在具體項目中，需要軟硬件結合調試才能保證各部分的設計準確無誤，到達實際應用的要求。
4 結 語
在對CAN通信協(xié)議進行分析的基礎上，構建了一種多通道實時CAN總線模擬器架構，同時利用CPLD器件，通過功能仿真，驗證了設計方案的正確性。經實際工程項目使用，驗證了該設計方案切實可行，滿足了實際應用中高可靠性、高實時性以及傳輸速率較高的需求。