基于SJA1000的高可靠CAN總線通訊智能單元設計

【摘要】CAN（Controller Area Network）總線是一種現場總線，由于其具有可靠性高、抗干擾能力強和實時性強的特點，而被廣泛應用于工業控制領域。本文介紹了一種基于SJA1000的高可靠CAN總線智能單元的設計方案。該總線智能單元可以獨立或者配合AT96總線和主控制器協同工作，易于系統擴展、優化和改進，利用微處理器完成數據發送/接受和錯誤診斷處理，降低主控制器的信息處理負擔。測試表明，該高可靠CAN總線智能單元的設計是可行的。

【關鍵詞】高可靠；CAN總線； 智能單元

ABSTRACT：CAN bus is a field bus which is widely used in industrial control field because of its advantages in high reliability，strong anti-jamming and high real-time characteristic. This paper introduces a design of high-reliability intelligent CAN communication unit base on SJA1000. The intelligent CAN unit may work independently or with the supervisor computer by AT96 bus. It is easy for system’s expansion，optimization and amelioration. The unit completes the data transferring/receiving and the error diagnosing by the microprocessor，thus decreases the load factor of the supervisor computer. Experimental results show that the design of intelligent and high-reliability CAN communication unit is effective.

KEY WORDS：high-reliability；CAN bus；intelligent unit

0.引言

隨著核動力裝置儀控系統數字化水平的不斷提高，儀控系統設備內部、設備之間以及設備與現場儀表之間信息交換都將采用網絡通訊技術，因此網絡的安全性、可靠性都對核動力儀控系統正常完成其設計功能具有非常重要的意義。CAN（Controller Area Network）總線，是一種可以有效支持分布式實時控制的串行通訊網絡，由于其具有可靠性高、抗干擾能力強和實時性強的特點而在工業控制、汽車電子控制、船舶運輸和航空航天領域得到了廣泛的應用[1]。因此，CAN總線是適合反應堆儀控系統應用的一種總線協議，需要研制一種應用于核動力裝置儀控系統中的高可靠CAN總線智能單元。

1.CAN總線簡介

1.1 CAN總線特點

具有統一國際標準ISO11898定義的CAN（Co-ntroller Area Network）總線是全數字式現場控制設備互連總線，能有效支持分布式控制和實時控制的串行通訊網絡。與其它總線網絡不同，在CAN總線通訊協議中廢除了傳統的站地址編碼，而是支持基于數據的工作方式，因此CAN總線通訊面向的是數據而不是節點，加入或者撤銷節點都不會影響通訊網絡的正常工作[2]。其主要特點如下：

1）多主工作方式：網絡上的任意節點均可在任意時刻主動向其它節點發送信息，而不分主從，通訊方式靈活；

2）實時性：采用短幀結構，傳輸時間短，受干擾概率低；網絡上的節點信息可被分成不同的優先級，滿足不同的實時要求，高優先級的數據最快可在134us內完成傳輸；

3）可靠性：采用非破壞性總線仲裁技術，多個節點同時向總線發送數據時，優先級較低的節點會主動退出發送，高優先級節點可不受影響的繼續傳輸數據，大大節省了總線沖突仲裁時間。

1.2 CAN分層結構

CAN按照ISO/OSI標準模型劃分為兩層：數據鏈路層（包括邏輯鏈路控制子層LCC和媒體訪問控制子層MAC）和物理層。CAN的分層結構如圖1所示[2]。

邏輯鏈路控制子層（LCC）的功能是為數據傳輸和遠程數據請求提供服務，確認由LCC子層接受的報文實際已被接受，并為恢復管理和通知超載提供信息。

媒體訪問控制子層（MAC）是CAN協議的核心，其功能是傳送規則，即控制幀結構、執行仲裁、錯誤檢測、出錯標定和故障界定。MAC子層也要確定當開始一次新的傳送時，總線是否開放或者是否馬上開始接受。

物理層的作用是在不同節點之間根據所有的電氣屬性進行位的實際傳輸，同一網絡的物理層對于所有的節點當然是相同的。盡管如此，在選擇物理層方面還是很自由的。

2.CAN協議控制器SJA1000

SJA1000是一種獨立CAN控制器，用于汽車和一般工業環境中的局域網絡控制，具有BasicCAN和PeliCAN兩種工作模式，其中PeliCAN支持CAN2.0B協議[3]。SJA1000用來完成CAN協議所規定的數據鏈路層和物理層的所有功能，是一種I/O基于內存編址的微控制器，微處理器通過訪問外部存儲器的方式來訪問SJA1000內部控制寄存器和數據緩沖區。本設計采用PeliCAN模式，支持對每個CAN總線錯誤和具體控制位控制的仲裁丟失中斷，支持只聽模式和熱插拔，可擴展驗收濾波器，并且具有自收發功能。SJA1000內部接受FIFO可以存儲高達21個報文，延長了最大中斷服務時間，避免數據超載。

3.CAN總線智能單元設計

3.1 設計要求

3.3.2 雙口RAM和AT96總線

微處理器通過雙口RAM及AT96總線與主控制器進行數據交換，雙口RAM作為微處理器和主控制器的共用擴展存儲空間，其左、右端口通過數據/地址總線分別與微處理器和主控制器相連，微處理器和主控制器通過CPLD進行地址譯碼產生雙口RAM左、右端口控制信號，從而實現雙口RAM的讀寫操作。

由于微處理器與主控制器對雙口RAM的讀寫速度無法完全匹配，因此存在以下兩種情況：1）微處理器將CAN總線節點接收到的數據包寫入RAM固定地址之后，該數據包還未被主控制器讀取就被微處理器新接收到的數據包覆蓋；2）主控制器將需要發送的數據包寫入RAM固定地址之后，微處理器還未將該數據包讀出就被主控制器用新數據包覆蓋。

為避免上述數據包丟失的情況發生，CAN總線通訊單元AT96總線數據交換采用環形緩沖區的方式。雙口RAM具有4k的地址空間，微處理器和主控制器通過雙口RAM進行兩個CAN總線節點數據包的交換以及控制信息的交換，因此將雙口RAM的4k地址空間劃分為四個部分，每個部分1k空間，即：CAN節點1數據發送區、CAN節點1數據接收區、CAN節點2數據發送區以及CAN節點2數據接收區。每個區域的前128地址空間作為控制信息交互區，主要作為CAN總線節點配置信息以及數據環形緩沖區控制信息的交互；每部分的其余空間作為數據環形緩沖區，可以最多存放81個標準格式的數據幀。

3.3.3 SJA1000和CAN節點

微處理器通過CAN協議控制器SJA1000進行CAN總線節點數據的接收和發送。SJA1000的復用地址/數據總線通過CPLD進行地址鎖存之后與微處理器的非復用地址/數據總線相連，將其作為微處理器外部存儲器映射的I/O器件。CPLD通過微處理器地址信號A12～A15進行判斷產生SJA1000的片選信號，只有在對SJA1000內部寄存器進行操作時才激活相應的器件。當CAN總線節點接收/發送數據或者產生錯誤時，將產生中斷信號，微處理器以最高優先級響應該中斷并進行相應的中斷判斷和處理。

4.2 環境試驗

環境試驗是為了考核CAN總線智能單元在典型工作環境下是否能夠正常工作。試驗在環境試驗箱內進行，分別進行了高溫試驗、低溫試驗和交變濕熱試驗。

在高溫試驗和低溫試驗中，分別以規定速率的溫度變化將環境溫度調整至設定溫度（高溫為60℃，低溫為0℃），保溫8小時后進行功能檢測；在交變濕熱試驗中，進行以升溫恒溫、高溫高濕、降溫恒濕、常溫高濕等四個階段為一個周期共24小時的試驗，并在每個階段結束前進行功能測試，共循環兩個周期，周期結束后待溫濕度以規定速率恢復到室溫條件并穩定后進行功能測試。

通過環境試驗表明CAN總線智能單元高溫、低溫和交變濕熱試驗合格，滿足使用環境的要求。

4.3 電磁兼容性試驗

為驗證CAN總線智能單元的電磁兼容性，將CAN總線智能單元應用于系統樣機中進行了電磁兼容性試驗，試驗結果表明，CAN總線智能單元的設計滿足電磁兼容性要求。

5.技術特點

綜上所述，基于SJA1000的高可靠CAN總線智能單元具有以下技術特點：

1）智能單元在與主控制器協同工作時，微處理器承擔了CAN總線數據發送、接收以及錯誤處理等工作，減輕了主控制器的任務負擔，減小了主控制器軟件的復雜程度，同時，微處理器和主控制器通過雙口RAM進行數據交換以及微處理器訪問SJA1000控制器，均采用外部存儲器直接訪問的方式，占用CPU時間少，有利于設備或系統的整體實時性和可靠性；

2）通過硬件電路設計如數字器件空置端口的處理、集成器件供電端去耦、以及數字地與模擬地的處理，提高CAN總線智能單元的電磁電容性能以及硬件抗干擾能力；

3）通過軟件的處理例如軟件看門狗、錯誤中斷處理程序等，提高智能單元的軟件抗干擾能力，降低節點自動關閉退出網絡的風險；

4）智能單元內部兩個微處理器之間設計有握手信號，因此智能單元內部四個CAN總線節點之間可以互為備用，也可作為冗余通道獨立工作，工作方式比較靈活，同時也大大提高了系統總線通訊網絡的安全性；

5）微處理器和主控制器之間的數據交換采用環形緩沖區的方式進行，大大降低了總線數據丟失的可能，同時在CAN總線數據ID設計中隱含校驗設計，主控制器通過該編碼保證數據包的完整正確接收。

6）通過軟硬件設計實現了CAN總線智能單元的自診斷功能，能夠及時診斷單元的硬件錯誤并進行相應處理，提高系統整體的可靠性。

6.結束語

本文設計的基于SJA1000的高可靠CAN總線智能單元易于擴展和改進，能夠根據軟件的設計完成不同的系統功能要求，各個CAN總線節點之間可以互為備用，也可作為冗余節點獨立工作，該單元通過微處理器完成數據發送/接受、總線錯誤處理，降低了主控制器的信息處理負擔以及CAN節點錯誤關閉的風險，并采用環形緩沖區的方式進行總線數據交換，有利于提高數據的實時性和可靠性。該高可靠CAN總線智能單元適用于對安全性、可靠性要求高的系統，本設計也為儀控系統平臺的總線結構設計奠定了堅實的基礎，為未來其它儀控系統網絡設計提供了技術參考。

參考文獻

[1]饒運濤，鄒繼軍，鄭勇蕓. 現場總線CAN原理與應用技術[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2003

[2]杜尚豐，曹曉鐘，徐津.CAN總線測控技術及其應用[M]. 北京：電子工業出版社，2006

[3]廣州周立功有限公司. SJA1000獨立CAN控制器[OL]. 2009.08

[4]潘琢金譯. C8051F040/1/2/3/4/5/6/7混合信號ISP FLASH微控制器數據手冊[OL]. 2004.12

[5]廣州周立功有限公司. SJA1000應用指南[OL]. 2009.08

作者簡介：

趙陽（1982—），男，2007年畢業于上海交通大學精密儀器及機械專業，碩士，工程師，主要從事反應堆熱工測量、高可靠性網絡等科研與工程工作。

呂鑫（1980—），男，2005年畢業于中國科學技術大學檢測技術與自動化裝置專業，碩士，高級工程師，主要從事反應堆熱工測量及相關設備研制等科研與工程工作。

朱毖微（1984—），男，2010年畢業于西北工業大學導航制導與控制專業，碩士，工程師，主要從事反應堆熱工測量及相關設備研制等科研與工程工作。

吳志強（1974—），男，1997年畢業于西南交通大學自動控制專業，學士，研究員級高級工程師，主要從事安全級儀控系統總體研究設計工作。