基于CAN總線實時令牌網的設計

趙 城，張 凱

（揚州大學 物理學院，江蘇 揚州 225002）

工業測控設備和系統中長期使用的RS-232傳輸協議是一種并不完備的低數據速率傳輸協議，抗干擾性能差，難以組成大規模的網絡系統。隨著控制系統復雜性和規模的增加，如果采用傳統的以太網組件構建網絡拓撲，則實時性難以保證。CAN是一種造價低、出錯概率低又適于現場環境通信的總線，本文在此基礎上構建了一種實時的令牌傳輸網。

1 CAN總線概述

控制器局域網 CAN（Controller Area Net）是一種有效支持分布式控制的串行通信網絡。CAN起初是由德國Bosch公司為汽車的監測、控制系統而設計的，由于其具有卓越的特性及極高的可靠性，后來漸漸應用于工業過程監控設備的互連。CAN總線只定義ISO/OSI模型中的第一層（物理層）和第二層（數據鏈路層）。CAN總線網絡的物理拓撲如圖1所示。

圖1 CAN總線網絡的物理拓撲

CAN總線主要的特點有：（1）采用差分傳輸，抗干擾性強；（2）采用短幀結構和 CRC校驗等檢錯措施，出錯概率低；（3）采用基于優先權的非破壞性總線仲裁技術，可工作于多主、一對一、一對多及全局廣播方式傳送接收數據；（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

令牌總線網絡的邏輯拓撲如圖2所示。所有連到令牌總線上的站，在邏輯上將構成一個首尾相連的環，每個站都知道自己的前導站（PS）和后繼站（NS）。

令牌實際上是一個采用特殊編碼的控制幀。網上只有一個令牌沿邏輯環傳遞，得到令牌的站才能發送數據，然后把令牌向下傳。在正常運行時，令牌按照站點地址的序列號從一個站點傳送到另外一個站點。這樣，這個令牌實際上是按照邏輯環而不是物理環進行傳遞。在數字序列的最后一個站點將令牌返回到第一個站點。

圖2 令牌總線網絡的邏輯拓撲

3 基于CAN總線令牌網的拓撲結構

結合CAN總線數據鏈路層對幀的封裝、差錯的控制和令牌總線突出的實時性的優點，設計了一種基于CAN總線的實時令牌傳輸協議，基于此協議構建的網絡拓撲如圖3所示。

圖3 基于CAN總線實時令牌網的拓撲結構

4 站點設計

圖4是驗證此協議的一個實際網絡。主站由NXP LPC1769和收發器PCA82C250構成，從站由51單片機、SJA1000 CAN控制器和收發器PCA82C250構成。主站工作在濾波方式，即只有在標識符（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議進行處理。主站的作用是收集從站發過來的信息并提交給主機及監視總線活動，當網絡令牌丟失時，發送開機復位幀。從站的作用是獲得令牌后，向主站或目的從站進行數據通信。

圖4 實際驗證網絡

PCA82C250是專門用于CAN總線的收發器，可與獨立CAN控制器組合使用，最高速率為1 Mb/s，還可根據Rs引腳調整3種工作模式。

SJA1000是NXP公司生產的獨立CAN控制器，是早期PCA82C200的升級，支持收發11位標識符的標準幀和29位標識符的擴展幀，通過驗收屏蔽寄存器和驗收代碼寄存器進行單次/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個可配置外部中斷等。CAN的編程是以32位的方式進行的。在CAN的工程中，需要包含CAN的頭文件，此文件包含了波特率、驗收濾波器模式等定義以及各項CAN函數的聲明。以下是一個CAN信息的定義：

在具體的CAN函數中，就可以用這個結構體去定義數據緩沖區，然后在主函數中進行數據緩沖區的初始化。

5 令牌傳輸協議設計

SJA1000擴展幀格式具有5個字節的描述符，本文將其進行重定義，如表1所示。幀類型如表2所示，其中前8個幀是控制幀，某些控制幀還會使用數據字節1。

表1 重定義CAN描述符區

表2 幀類型

站在不同的時間會發送不同的類型幀，其中環路的建立過程是指環的初始化或站的添加和刪除過程。

令牌申請幀：硬件復位或收到開機復位幀的站，在總線空閑時發送，向總線申請令牌。

開機復位幀：令牌持有站發送完后繼幀的目的站后，在一定的時間內監視不到總線活動時發送，通知環路站點環路嚴重出錯，需要進行復位，重新組環。

請求后繼幀：環路建立過程中由令牌持有站發送，通知未入環的站以設置后繼幀響應令牌持有站的詢問。

設置后繼幀：環路建立過程中由未入環的站或出錯站的后繼站發送，用于添加或刪除一個站。

閉環宣示幀：環路建立過程中令牌持有站發送完請求后繼幀后，在一定的時間內監視不到總線活動時發送，通知環路站點環路已經建立，并由識別碼3標示的目的站進行閉環操作：將此站的前導站PS設置為此幀的識別碼2。

后繼幀：令牌持有站發送完令牌幀后，在一定的時間內監視不到總線活動時發送，通知錯誤站的后繼站以設置后繼幀響應令牌持有站的詢問。

入環申請幀：發生總線錯誤的站在總線恢復時，向令牌持有站申請成為其后繼站。

令牌幀：令牌持有站收到設置后繼幀或發送完數據幀時，將令牌傳遞給它的后繼站時發送。

數據幀：令牌持有站有數據需要發送時，向目的站進行發送。

為實現協議，每個從站中都需定義一個站狀態寄存器Station_State_Reg（SSR），其各位定義如圖 5所示。

圖5 站狀態寄存器SSR的位定義

Station_State用于指示站狀態，0表示站未入環，1表示站已入環，此位在硬件復位或收到開機復位幀時置1，總線出錯時置0。Ring_State用于指示環的狀態，0表示環未閉合，1表示環已閉合，此位在硬件復位、收到開機復位幀和總線出錯時置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，此位在硬件復位或收到開機復位幀時置1，總線出錯時置0。Frame ID用于指示當前/之前發送的幀類型，與幀類型字節的低4位相同，硬件復位或收到開機復位幀時置為令牌申請幀ID，總線錯誤時置為入環申請幀ID。

圖6 仲裁中斷、總線錯誤中斷和單片機定時器中斷處理流程

圖7 接收中斷處理流程

每個站設置3個站ID字節和一個臨時存儲字節Temp，它們在硬件復位、收到開機復位幀或總線出錯時置為本站ID。PS記錄前導站ID，NS記錄后繼站ID，TS記錄本站ID。Temp對應于環建立過程中令牌幀的數據字節1：在環初始化時令牌幀的數據字節1表示的是第一個獲得令牌的站ID，當前令牌持有站把令牌傳給它的后繼站時會轉發此ID；當有站發送入環申請幀申請添加一個站時，當前令牌持有站會把它的后繼站ID放入令牌幀的數據字節1中轉給入環申請站，此ID的站會作為之后的閉環宣示幀的目的站進行閉環操作；當令牌持有站發送后繼幀刪除一個站時，會把出錯的后繼站ID放在數據字節1中，PS與此ID相同的站會以設置后繼幀響應令牌持有站。

站程序中除定義了每個類型幀的發送函數外，還定義了一些其他重要的函數：狀態偵測函數，用于偵測總線是否錯誤、是否空閑以及發送緩沖器是否釋放，它由每個類型幀的發送函數所調用；定時函數，用于設定一個時間間隔，它僅由請求后繼幀、后繼幀、申請入環幀發送函數調用。SJA1000控制器開放接收中斷、仲裁中斷及總線錯誤中斷3類中斷。發送中斷、仲裁中斷、總線錯誤中斷和單片機定時中斷處理流程如圖6所示。

接收中斷處理流程如圖7所示，接收中斷對9類幀進行了不同的處理。

基于CAN總線的實時令牌網可用于短數據幀的實時傳輸，如機器狀態傳感數據、過程控制信號等，基于此協議構建的網絡既可保證傳輸的實時性又可保證正確性，因此具有很好的應用價值。

[1]楊春杰，王曙光，亢紅波.CAN總線技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[2]關平.雙向HFC網絡中令牌總線接入方法研究 [D].成都：四川大學，2004.

[3]王毅峰，李令奇.基于CAN總線的分布式數據采集與控制系統[J].工業控制計算機，2000，13（5）：34-35.

[4]SJA1000 Stand-alone CAN controller.pdf[EB/OL].[2000-01]http：//www.nxp.com.

[5]LPC1769.pdf[EB/OL].[2012-08]http：//www.nxp.com.