一種基于CAN總線的通信系統設計與實現

魏立峰， 李洪亮， 王慶輝， 劉曉梅， 封岸松

(沈陽化工大學 信息工程學院， 遼寧 沈陽 110142)

一種基于CAN總線的通信系統設計與實現

魏立峰， 李洪亮， 王慶輝， 劉曉梅， 封岸松

(沈陽化工大學 信息工程學院， 遼寧 沈陽 110142)

設計了應用于分布式控制結構的CAN總線通信系統.采用總線型拓撲結構以及利用分布式控制思想，在CAN控制器的鏈路層網絡協議基礎上，設計了應用層協議和傳輸層協議，實現批量數據透明塊傳輸及自動錯誤重傳，提高數據通信的可靠性.系統已應用于微量元素檢測儀器中，運行結果表明:該通信系統工作穩定，實時性好,執行效率高.

CAN總線； 總線型拓撲結構； 應用層協議

控制器局域網(CAN:Controller Area Network)總線，是德國BOSCH公司首先應用于汽車內部的一種串行數據通信協議，是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維，通信速率可達1 Mbps[1].由于結構簡單、通信質量好，在國內外已經得到較廣泛的應用，成為工業采集領域中首選的現場總線之一.

從OSI網絡模型角度出發，現場總線網絡一般只實現了第1層(物理層)、第2層(數據鏈路層)、第7層(應用層).而CAN現場總線僅僅定義了第1層、第2層，這兩層完全由硬件實現，無需再為此開發相應軟件或固件.由此，為網絡中每一個有效設備提供一組有用的服務與協議，CAN應用層設計至關重要，甚至影響整個CAN通信效率的高低.在CAN應用層設計中，CANopen協議是一個通用、開放、標準的CAN應用層協議.在CANopen協議基礎上，確定產品所需要的功能，然后選擇最適合的硬件系統.但開發周期相對較長，后期驗證也需要較長的時間，對協議的不同理解造成的開發兼容性差[2].鑒于原子吸收分光光度計硬件特點以及各模塊通信的易可行性，CANopen協議相對復雜，為此設計了專門用于本儀器系統的專用CAN應用層協議.

設計系統采用單主方式工作，PC機作為主控，其它5個模塊為從節點，主控和從節點之間通過USB-CAN板卡實現通信.從節點采用Cortex-M4為內核的STM32F407VGT6作為主控制器，其內置CAN總線控制器，使得該節點體積小、功耗低、抗干擾性能好.

1 系統總體設計方案

該分析儀器基于分布式測量控制的思想，按照儀器各模塊功能和物理位置將功能分散到主控及5個從模塊.整體系統的功能由這6個子模塊協同完成，這些模塊均掛接在CAN通信總線上，從模塊通過USB-CAN板卡作為橋梁與主控通信，通過CAN控制網絡連接起來構成一個分布式處理儀器系統.

主控通過USB-CAN板卡作為橋梁與從模塊進行通信.各個從模塊之間也需要通信，由于某些命令需要某兩個模塊同步協調完成，除了CAN信號線外，還需要在某些從模塊之間添加幾根同步信號線，用來進行時間同步指示和數據的傳送.圖1為系統網絡總體結構.

圖1 系統網絡總體結構

2 網絡拓撲結構

網絡的拓撲結構是指網絡中節點的互連形式，是影響網絡性能的主要因素.最常用的CAN網絡拓撲結構是總線型拓撲與星型拓撲.

星型結構中，網絡中的每一個節點通過一個中央設備連接在一起，各節點將數據發送到中央設備，再由中央設備將數據轉發到目標節點.星型網絡中任何單根電纜只連接兩個設備(如一個節點和一個集線器)，各節點相互獨立.

在星型網絡中，中央設備故障會導致整個網絡的癱瘓.另外，星型結構所需的線纜和配置明顯多于總線型網絡，但其總長度與總線型網絡一樣受波特率、節點數量等因素制約[3].

在原子吸收分光光度計系統中，各節點之間都存在通信的可能，與星型網絡的節點獨立性原則相違背.總線型網絡相對于星型網絡，網絡布線更簡單，工作量更少.因此，本系統的設計采用總線型網絡拓撲結構，也可采用優化的總線型結構——菊花鏈型網絡.

3 網絡設計

系統CAN-bus網絡采用總線拓撲結構，在網絡中有6個CAN-bus節點.在總線的兩個終端各安裝一個120 Ω終端電阻.在同一CAN-bus通信網絡中所有CAN節點的通信波特率必須一致，同時計算得出的CAN通信波特率也僅是適合一個具體數值范圍內的通信波特率，即意味著標稱通信速率為100 kbps的CAN節點一般能夠與通信速率為90～110 kbps的CAN節點正常通信.在該網絡中，CAN總線使用速率為1 Mbps，在實際連接時，使用屏蔽雙絞線，且要求網絡中的分支線小于3 m，最大干線長度小于40 m.

圖2所示CAN收發器是驅動CAN控制器和物理總線間的接口，總線的差動發送能力和對CAN控制器的差動接收能力都由其提供，具有抗惡劣環境瞬間干擾、保護總線的能力，而且即使在某一節點掉電也不會影響總線.

圖2 ARM與CAN總線連接圖

CAN-bus信號采用差分傳輸方式，當總線上有“0”信號時，CAN_L和CAN_H之間電壓差大于最小值的差分電壓，稱“顯性”；當總線上有“1”信號時，CAN_H和CAN_L電壓被固定在平均電壓附近，電壓差近似為0，稱“隱形”[4].

CAN_H端的狀態只能是高電平或者懸浮狀態，CAN_L端的狀態只能是低電平或者懸浮狀態，這就保證不會出現如RS-485網絡中常有的現象：當因系統錯誤而出現多節點同時向總線發送數據時，導致總線出現短路，從而損壞某節點.CAN節點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出的功能，從而使總線上其他節點不受影響，以此確保在網絡中不會出現因個別節點出現問題而使總線“死鎖”的狀態.

4 通信協議概述

相對于復雜的CANopen協議，系統應用層協議結構簡單，報文分段清晰，用盡可能少的報文信息表達每個節點設備所有必需的通信信息，減少了工作量.

4.1 用戶通信

系統中用戶通信為一種高層通信協議，以下簡稱用戶層.

用戶層使用CAN總線的具有29位標識符的擴展幀格式，且只使用CAN總線中的數據幀類型(沒有使用遠程幀)；總線通信模型采用單主結構，即主控為主節點，其它節點為從節點；通信方法包括主從命令/響應方式和從站事件觸發方式兩種；用戶層定義了用戶層數據幀，該數據幀數據部分的長度可達512字節，完全符合該原子吸收分光光度計的通信需求，在進行數據幀收發時需要拆封和封裝成CAN總線的擴展數據幀格式.

4.2 設備節點編址

系統中每個總線節點均有一個ID編號，用于CAN總線網絡節點尋址.如圖1所示，主控ID編號為0，模塊1～模塊5的ID編號分別為1～5，編址ID使用4個二進制位，ID編號6～14保留使用，ID編號15(即0xF)為廣播地址.

通信中每幀數據需要源節點ID和目的節點ID，以完成網絡數據交換的尋址實現.源節點ID和目的節點ID需要使用1個字節，使用29位標識符的頭8位.

4.3 協議報文格式

這部分包括用戶協議報文格式和用戶定義CAN協議報文格式.用戶協議報文在發送前需要重新封裝為用戶定義CAN協議報文格式，CAN總線上收到的用戶定義CAN協議報文，需要解封并重新封裝為用戶協議報文.

(1) 用戶協議報文格式

用戶協議報文格式如表1所示.

表1 用戶協議報文格式

其中SrcID為發送數據幀設備的ID編號，DestID為接收數據幀設備的ID編號(注：SrcID地址不能是廣播地址0xF).

FuncID(功能碼)使用了8位，具體定義了系統中數據和命令交換或傳遞的種類，具體種類和細節涉及到整個系統的功能實現，且這些功能碼沒有考慮到通用性，僅對本系統進行優化設計.

DataLen字段2個字節，表示幀數據部分的數據長度.

Type(2位)和subType(3位)表示數據幀的類型，具體含義見表2.

(2) 用戶定義CAN協議報文格式

用戶定義CAN協議報文格式如表3所示.

其中，SegPolo和SegNum用于對用戶協議報文分段處理，SegPolo表示分段標志，SegNum表示分段編號，其含義如表4所示.

SrcID和DestID源于用戶協議報文中的SrcID源地址和DestID目的地址.

FuncID(功能碼)源于用戶協議報文中的FuncID(功能碼).

Type和subType源于用戶協議報文中Type、subType字段，分別為2位、3位.

表2 數據幀類型字段說明

表3 用戶定義CAN協議報文格式

表4 SegPolo和SegNum說明

5 協議通信模式

為方便系統數據傳輸和數據傳輸的實時要求，用戶協議采用靈活的通信模式，支持主從方式通信模式和事件觸發通信模式.主從通信模型是一種主站命令/從站應答式的通信方式；事件觸發通信模式用于從站主動向主站傳送數據報文[5].

(1) 主從通信模式

命令/響應通訊方式.由主站發命令幀給從站，從站執行命令后給主站發送響應幀.一般情形如圖3所示.

圖3 主從通信模式

在這種方式下，主站與一個從站進行通訊.從站接收到命令并處理完請求后，返回一個響應報文給主站.一個完整的通信過程包括主站的請求與從站的應答.在這種通信方式下，從站節點在未接收到主站的請求時不會傳輸數據.

這種通信方式有兩種例外情況：一種是主站

廣播命令幀(命令幀的目的地址為廣播地址)，此時不需要從站發送響應幀；另一種情況是，從站針對主站命令幀可發送廣播響應幀(響應幀的目的地址為廣播地址，通過此種方式可實現從站與從站之間的數據通信).

(2) 事件觸發通信模式

事件觸發通信模式用于從站向主站發送數據，支持定時循環發送和狀態改變發送兩種傳送模式，如圖4所示.

圖4 事件觸發通信模式

該模式中，從站發送數據幀的目的地址為主站，有一種例外情況是目的地址也可以是廣播地址.

在該原子吸收分光光度計中，網絡中的5個從節點均具有這種通信能力，每個從站有一個事件觸發鏈路指向主站(廣播暫不支持)，可隨時組態改動為循環定時、狀態改變、循環定時+狀態改變3種通信方式(定時時間到和狀態改變同時發生時，對應數據需用一個數據幀發送給主站)，還可隨時關閉或啟動.

6 原子吸收分光光度計的CAN總線實例驗證

圖5為協議的可靠性測試和驗證.CAN通信系統能實現單主通信，模塊接收到唯一的ID號CAN幀格式數據，回復響應幀數據，且性能穩定，可靠性好，沒有數據沖突，達到了預期效果.

圖5 測試結果圖

7 結束語

針對該原子吸收分光光度計，設計專門的CAN通信系統，采用總線型的拓撲結構，以分布式結構為框架，同樣具有較強的開放性、穩定性和擴展性.本文研究的系統作為企業的一個開發項目開發的，現已投入市場使用，通訊指標完全符合儀器性能的需求，同時分布式架構相對于原來的PC板卡整體控制，在避免重大事故發生、實時故障診斷識別以及糾錯等方面起到了重要的作用.

[1] 王慶雙,蔡冬生.基于ARM的CAN通信系統的設計與實現[J].航空電子技術,2011,42(1):9-10.

[2] 代訓康,施玉霞.機械臂控制系統中CANopen協議的應用與開發[J].制造業自動化,2010,32(12):39-40.

[3] 張振德.CAN總線星型網絡拓撲結構研究與設計[D].北京:北京化工大學,2011：20-21.

[4] 劉維戈,金遠平.基于CAN總線的通信系統的設計與實現[J].計算機技術與發展,2007,17(12):208-209.

[5] 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.

Design and Implementation of CAN Bus-based Communication System

WEI Li-feng， LI Hong-liang， WANG Qing-hui， LIU Xiao-mei， FENG An-song

(Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, China)

This paper presents a CAN bus communication system used in distributed control structure,using the bus topology and distributed control thought.Based on the data link layer network protocol of the CAN controller,the application layer protocol and transport layer protocol are designed,achieving bulk data transparent block transfer and automatic error retransmission,and improving the reliability of data communication.Systems have been used in trace detection instrument development.The result shows the communication system is stable,real-time,and highly efficient.

CAN bus； bus topology； application layer protocol

2013-09-15

魏立峰(1962-)，男，遼寧沈陽人，教授，博士，主要從事智能測控技術與裝置、無線傳感器網絡的研究.

2095-2198(2015)01-0059-06

10.3969/j.issn.2095-2198.2015.01.013

TN919.3

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