基于CAN總線實(shí)時(shí)令牌網(wǎng)的設(shè)計(jì)

趙 城，張 凱

（揚(yáng)州大學(xué) 物理學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225002）

工業(yè)測(cè)控設(shè)備和系統(tǒng)中長(zhǎng)期使用的RS-232傳輸協(xié)議是一種并不完備的低數(shù)據(jù)速率傳輸協(xié)議，抗干擾性能差，難以組成大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。隨著控制系統(tǒng)復(fù)雜性和規(guī)模的增加，如果采用傳統(tǒng)的以太網(wǎng)組件構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，則實(shí)時(shí)性難以保證。CAN是一種造價(jià)低、出錯(cuò)概率低又適于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境通信的總線，本文在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了一種實(shí)時(shí)的令牌傳輸網(wǎng)。

1 CAN總線概述

控制器局域網(wǎng) CAN（Controller Area Net）是一種有效支持分布式控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN起初是由德國(guó)Bosch公司為汽車的監(jiān)測(cè)、控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，由于其具有卓越的特性及極高的可靠性，后來漸漸應(yīng)用于工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互連。CAN總線只定義ISO/OSI模型中的第一層（物理層）和第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）。CAN總線網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 CAN總線網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)?/p>

CAN總線主要的特點(diǎn)有：（1）采用差分傳輸，抗干擾性強(qiáng)；（2）采用短幀結(jié)構(gòu)和 CRC校驗(yàn)等檢錯(cuò)措施，出錯(cuò)概率低；（3）采用基于優(yōu)先權(quán)的非破壞性總線仲裁技術(shù)，可工作于多主、一對(duì)一、一對(duì)多及全局廣播方式傳送接收數(shù)據(jù)；（4）通信距離隨波特率而變，典型值為 10 km（5 kb/s）、40 m（1 Mb/s）。

2 令牌總線概述

令牌總線網(wǎng)絡(luò)的邏輯拓?fù)淙鐖D2所示。所有連到令牌總線上的站，在邏輯上將構(gòu)成一個(gè)首尾相連的環(huán)，每個(gè)站都知道自己的前導(dǎo)站（PS）和后繼站（NS）。

令牌實(shí)際上是一個(gè)采用特殊編碼的控制幀。網(wǎng)上只有一個(gè)令牌沿邏輯環(huán)傳遞，得到令牌的站才能發(fā)送數(shù)據(jù)，然后把令牌向下傳。在正常運(yùn)行時(shí)，令牌按照站點(diǎn)地址的序列號(hào)從一個(gè)站點(diǎn)傳送到另外一個(gè)站點(diǎn)。這樣，這個(gè)令牌實(shí)際上是按照邏輯環(huán)而不是物理環(huán)進(jìn)行傳遞。在數(shù)字序列的最后一個(gè)站點(diǎn)將令牌返回到第一個(gè)站點(diǎn)。

圖2 令牌總線網(wǎng)絡(luò)的邏輯拓?fù)?/p>

3 基于CAN總線令牌網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

結(jié)合CAN總線數(shù)據(jù)鏈路層對(duì)幀的封裝、差錯(cuò)的控制和令牌總線突出的實(shí)時(shí)性的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線的實(shí)時(shí)令牌傳輸協(xié)議，基于此協(xié)議構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3所示。

圖3 基于CAN總線實(shí)時(shí)令牌網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

4 站點(diǎn)設(shè)計(jì)

圖4是驗(yàn)證此協(xié)議的一個(gè)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)。主站由NXP LPC1769和收發(fā)器PCA82C250構(gòu)成，從站由51單片機(jī)、SJA1000 CAN控制器和收發(fā)器PCA82C250構(gòu)成。主站工作在濾波方式，即只有在標(biāo)識(shí)符（ID）通過濾波后接收信息。從站工作在廣播方式，即先接收總線上的信息再按照協(xié)議進(jìn)行處理。主站的作用是收集從站發(fā)過來的信息并提交給主機(jī)及監(jiān)視總線活動(dòng)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)令牌丟失時(shí)，發(fā)送開機(jī)復(fù)位幀。從站的作用是獲得令牌后，向主站或目的從站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

圖4 實(shí)際驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)

PCA82C250是專門用于CAN總線的收發(fā)器，可與獨(dú)立CAN控制器組合使用，最高速率為1 Mb/s，還可根據(jù)Rs引腳調(diào)整3種工作模式。

SJA1000是NXP公司生產(chǎn)的獨(dú)立CAN控制器，是早期PCA82C200的升級(jí)，支持收發(fā)11位標(biāo)識(shí)符的標(biāo)準(zhǔn)幀和29位標(biāo)識(shí)符的擴(kuò)展幀，通過驗(yàn)收屏蔽寄存器和驗(yàn)收代碼寄存器進(jìn)行單次/雙次濾波，能完成可靠的通信。

NXP LPC1769是基于ARM Cortex-M3的32位微控制器，工作頻率可高達(dá)120 MHz。片上集成了雙通道CAN 2.0B控制器，USB 2.0全速接口，4個(gè)可配置外部中斷等。CAN的編程是以32位的方式進(jìn)行的。在CAN的工程中，需要包含CAN的頭文件，此文件包含了波特率、驗(yàn)收濾波器模式等定義以及各項(xiàng)CAN函數(shù)的聲明。以下是一個(gè)CAN信息的定義：

在具體的CAN函數(shù)中，就可以用這個(gè)結(jié)構(gòu)體去定義數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，然后在主函數(shù)中進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的初始化。

5 令牌傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)

SJA1000擴(kuò)展幀格式具有5個(gè)字節(jié)的描述符，本文將其進(jìn)行重定義，如表1所示。幀類型如表2所示，其中前8個(gè)幀是控制幀，某些控制幀還會(huì)使用數(shù)據(jù)字節(jié)1。

表1 重定義CAN描述符區(qū)

表2 幀類型

站在不同的時(shí)間會(huì)發(fā)送不同的類型幀，其中環(huán)路的建立過程是指環(huán)的初始化或站的添加和刪除過程。

令牌申請(qǐng)幀：硬件復(fù)位或收到開機(jī)復(fù)位幀的站，在總線空閑時(shí)發(fā)送，向總線申請(qǐng)令牌。

開機(jī)復(fù)位幀：令牌持有站發(fā)送完后繼幀的目的站后，在一定的時(shí)間內(nèi)監(jiān)視不到總線活動(dòng)時(shí)發(fā)送，通知環(huán)路站點(diǎn)環(huán)路嚴(yán)重出錯(cuò)，需要進(jìn)行復(fù)位，重新組環(huán)。

請(qǐng)求后繼幀：環(huán)路建立過程中由令牌持有站發(fā)送，通知未入環(huán)的站以設(shè)置后繼幀響應(yīng)令牌持有站的詢問。

設(shè)置后繼幀：環(huán)路建立過程中由未入環(huán)的站或出錯(cuò)站的后繼站發(fā)送，用于添加或刪除一個(gè)站。

閉環(huán)宣示幀：環(huán)路建立過程中令牌持有站發(fā)送完請(qǐng)求后繼幀后，在一定的時(shí)間內(nèi)監(jiān)視不到總線活動(dòng)時(shí)發(fā)送，通知環(huán)路站點(diǎn)環(huán)路已經(jīng)建立，并由識(shí)別碼3標(biāo)示的目的站進(jìn)行閉環(huán)操作：將此站的前導(dǎo)站PS設(shè)置為此幀的識(shí)別碼2。

后繼幀：令牌持有站發(fā)送完令牌幀后，在一定的時(shí)間內(nèi)監(jiān)視不到總線活動(dòng)時(shí)發(fā)送，通知錯(cuò)誤站的后繼站以設(shè)置后繼幀響應(yīng)令牌持有站的詢問。

入環(huán)申請(qǐng)幀：發(fā)生總線錯(cuò)誤的站在總線恢復(fù)時(shí)，向令牌持有站申請(qǐng)成為其后繼站。

令牌幀：令牌持有站收到設(shè)置后繼幀或發(fā)送完數(shù)據(jù)幀時(shí)，將令牌傳遞給它的后繼站時(shí)發(fā)送。

數(shù)據(jù)幀：令牌持有站有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，向目的站進(jìn)行發(fā)送。

為實(shí)現(xiàn)協(xié)議，每個(gè)從站中都需定義一個(gè)站狀態(tài)寄存器Station_State_Reg（SSR），其各位定義如圖 5所示。

圖5 站狀態(tài)寄存器SSR的位定義

Station_State用于指示站狀態(tài)，0表示站未入環(huán)，1表示站已入環(huán)，此位在硬件復(fù)位或收到開機(jī)復(fù)位幀時(shí)置1，總線出錯(cuò)時(shí)置0。Ring_State用于指示環(huán)的狀態(tài)，0表示環(huán)未閉合，1表示環(huán)已閉合，此位在硬件復(fù)位、收到開機(jī)復(fù)位幀和總線出錯(cuò)時(shí)置0。Token_State用于指示站是否持有令牌，0表示未持有，1表示持有，此位在硬件復(fù)位或收到開機(jī)復(fù)位幀時(shí)置1，總線出錯(cuò)時(shí)置0。Frame ID用于指示當(dāng)前/之前發(fā)送的幀類型，與幀類型字節(jié)的低4位相同，硬件復(fù)位或收到開機(jī)復(fù)位幀時(shí)置為令牌申請(qǐng)幀ID，總線錯(cuò)誤時(shí)置為入環(huán)申請(qǐng)幀ID。

圖6 仲裁中斷、總線錯(cuò)誤中斷和單片機(jī)定時(shí)器中斷處理流程

圖7 接收中斷處理流程

每個(gè)站設(shè)置3個(gè)站ID字節(jié)和一個(gè)臨時(shí)存儲(chǔ)字節(jié)Temp，它們?cè)谟布?fù)位、收到開機(jī)復(fù)位幀或總線出錯(cuò)時(shí)置為本站ID。PS記錄前導(dǎo)站ID，NS記錄后繼站ID，TS記錄本站ID。Temp對(duì)應(yīng)于環(huán)建立過程中令牌幀的數(shù)據(jù)字節(jié)1：在環(huán)初始化時(shí)令牌幀的數(shù)據(jù)字節(jié)1表示的是第一個(gè)獲得令牌的站ID，當(dāng)前令牌持有站把令牌傳給它的后繼站時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)此ID；當(dāng)有站發(fā)送入環(huán)申請(qǐng)幀申請(qǐng)?zhí)砑右粋€(gè)站時(shí)，當(dāng)前令牌持有站會(huì)把它的后繼站ID放入令牌幀的數(shù)據(jù)字節(jié)1中轉(zhuǎn)給入環(huán)申請(qǐng)站，此ID的站會(huì)作為之后的閉環(huán)宣示幀的目的站進(jìn)行閉環(huán)操作；當(dāng)令牌持有站發(fā)送后繼幀刪除一個(gè)站時(shí)，會(huì)把出錯(cuò)的后繼站ID放在數(shù)據(jù)字節(jié)1中，PS與此ID相同的站會(huì)以設(shè)置后繼幀響應(yīng)令牌持有站。

站程序中除定義了每個(gè)類型幀的發(fā)送函數(shù)外，還定義了一些其他重要的函數(shù)：狀態(tài)偵測(cè)函數(shù)，用于偵測(cè)總線是否錯(cuò)誤、是否空閑以及發(fā)送緩沖器是否釋放，它由每個(gè)類型幀的發(fā)送函數(shù)所調(diào)用；定時(shí)函數(shù)，用于設(shè)定一個(gè)時(shí)間間隔，它僅由請(qǐng)求后繼幀、后繼幀、申請(qǐng)入環(huán)幀發(fā)送函數(shù)調(diào)用。SJA1000控制器開放接收中斷、仲裁中斷及總線錯(cuò)誤中斷3類中斷。發(fā)送中斷、仲裁中斷、總線錯(cuò)誤中斷和單片機(jī)定時(shí)中斷處理流程如圖6所示。

接收中斷處理流程如圖7所示，接收中斷對(duì)9類幀進(jìn)行了不同的處理。

基于CAN總線的實(shí)時(shí)令牌網(wǎng)可用于短數(shù)據(jù)幀的實(shí)時(shí)傳輸，如機(jī)器狀態(tài)傳感數(shù)據(jù)、過程控制信號(hào)等，基于此協(xié)議構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)既可保證傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性又可保證正確性，因此具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

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