一種多通道CAN總線通訊M模塊的設計

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(哈爾濱工業大學 電氣工程及自動化學院，哈爾濱 150001)

一種多通道CAN總線通訊M模塊的設計

付平，周穎，喬家慶

(哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院，哈爾濱150001)

針對船舶燃機監控系統的CAN總線數據通信需求，設計了一種多通道CAN總線通訊模塊；該方案采用M模塊標準設計，使用4片獨立的CAN控制器和CAN隔離收發器實現CAN節點電路、4通道CAN通訊控制和信號電氣隔離;通過可編程邏輯器件CPLD以及硬件描述語言VerilogHDL，實現了M模塊接口和4通道CAN總線接口的轉換；在硬件設計的基礎上，進行了CAN總線通信程序設計;經測試和應用結果表明，本模塊能夠實現4通道CAN總線大量數據通信，滿足了設計需求，具有很好的應用前景。

CAN總線；M模塊；CPLD

0 引言

CAN總線是一種有效支持分布式控制的現場工業總線，被廣泛用于船舶、汽車、鐵路和地礦勘探等領域[1-2]。就船舶領域而言，現代船舶營運體系對船舶系統的信息集成化要求越來越高，伴隨著設備功能的完善，船舶設備體系的復雜度也越來越高，通常一個船舶通信網絡本身會由多個設備組成，比如舵機控制系統、燃機監控系統、駕駛員操作臺等等。目前許多船舶設備都使用了CAN接口進行通信，船舶系統使用CAN接口將總控制器與各設備連接起來，實現對船舶設備的控制和測試。在這種大型的網絡系統中，隨著系統復雜性的增加， 對系統通訊的安全性要求也隨之提高。滿足系統安全性的技術手段之一就是采用冗余通訊網絡，其硬件基礎通常就是多通道的通訊線路。此外，CAN總線的通訊速率最高為1 Mbit/s，節點發送的數據依據幀ID的優先級搶占總線使用權[3]，因此當總線節點較多、總線通訊負荷較重時，需要多個通訊通道來滿足各個節點間通訊的實時性[4]。本文針對某船舶燃氣輪機監控系統的數據通訊需求，設計了一種多通道CAN總線通訊模塊。

1 模塊的功能要求

本模塊需要實現4通道CAN總線通信功能，采用M模塊標準設計，與VME總線M模塊載板共同組成一個VME總線4通道CAN總線通訊模塊，應用于某基于VME總線的燃氣輪機監控系統實現多通道CAN總線通信，模塊功能設計要求如下：

對于CAN總線接口，各通道特性如下：

1)CAN總線通信時采用CAN2.0B協議；

2) CAN通訊波特率可程控，最高為1 Mbps；

3)最長通訊距離大于10米；

4)各個CAN接口之間電氣隔離，隔離電壓大于500 V。

對于M模塊接口，技術要求如下：

1) 支持A08，D08工作模式；

2) 采用INTA中斷模式。

2 硬件設計

從上節功能要求可以看出，本模塊硬件工作需要設計CAN總線接口，M模塊接口，同時為了實現兩種接口之間的通信，還需要設計中間的接口轉換部分作為橋梁，由此可得到模塊的基本框圖如圖1。下面將重點介紹本模塊這幾個方面的硬件設計工作。

圖1 模塊基本框圖

2.1 CAN總線接口部分

本部分為模塊接入CAN網絡的電路接口，所有CAN節點接入CAN網絡，都必須通過符合 CAN總線協議規范的控制器和收發器。CAN控制器用于節點通信控制，實現ISO/OSI模型的數據鏈路層功能；CAN收發器用于加強節點在CAN總線系統中的驅動能力，實現物理層功能。

目前常用的CAN控制器有兩種，一種是獨立CAN控制器，它不與其它智能單元處理單元集成在一起，是一個單獨的控制器件；另一種是集成型CAN控制器，即將CAN控制器與微處理器集成在一個芯片上。前者編寫的CAN應用程序是針對獨立CAN控制器的，程序可移植性強，設計更加靈活，可以與不同的處理器配合，編寫好的程序可以靈活地移植到任意的處理器平臺中，但是會占用MCU的I/O資源。后者需專用開發工具，編寫的程序只針對特定處理器，可移植性差，且需針對該控制器設計獨立的調試鏈路。考慮M模塊是作為功能模塊搭載于其他處理器平臺中，模塊本身無需自帶MCU，且M模塊接口的I/O資源比較豐富，故選用獨立CAN控制器。

目前主流的CAN獨立控制器通常采用NXP公司的SJA1000和Microchip公司的MCP2515。SJA1000采用并行I/O的51接口時序；MCP采用串行的SPI接口配置，采用較少的線即可與處理器連接。二者都能實現CAN2.0B的CAN總線通信，但是SJA1000芯片采用的是5 V電壓供電，管腳I/O電平也是5 V，MCP2515采用3.3 V供電，管腳電平為3.3 V，而M模塊接口信號中提供了5 V電源輸入，采用5 V電壓芯片的話在電路上不需要再設計額外的供電模塊，可以在一定程度上簡化電路設計；另外雖然SPI接口比較簡單，但在一定程度上會增加接口轉換和軟件的設計復雜度，所以本設計采用SJA1000作為CAN控制器。

SJA1000在許多場合中都具有適用性，特別是在系統優化，診斷和維護等方面[5]。它具有兩種工作模式：BasicCAN模式和PeliCAN模式，本設計選擇PeliCAN工作模式，能夠進行單通道CAN2.0B總線通訊，本模塊總共需要4片SJA1000。SJA1000可以支持多種處理器的時序特性，如Intel模式(Mode=低電平)或Motorola模式(Mode=高電平)，本模塊采用Intel模式，這樣CAN控制器與與上層處理器的接口可以簡化，所以電路設計時需要將Mode引腳置為高電平。另外，本模塊沒有外接CAN輸入比較器，所以SJA1000的RX1輸入應該連接到一個確定電平(如2.5 V)，時鐘分頻寄存器的CBP位應該置位，才能使得控制器正確地讀到總線上的位流信息。通過對接口讀寫周期時序的分析，SJA1000接口與上層處理器的連接方式是地址數據復用模式，主要信號有地址選通信號ale，片選信號cs_n，讀信號rd_n，寫信號wr_n和地址數據信號ad7～ad0，在ale有效時ad7～ad0接口傳送地址信號，在rd_n或wr_n有效且片選信號rst_n有效時，傳輸數據信號。另外，SJA1000可以通過中斷輸出引腳提出中斷請求，處理器響應中斷后中斷請求才會撤銷。

CAN總線收發器通常有隔離收發器和非隔離收發器兩種。常見的非隔離收發器如NXP的TJA1050，這種收發器在實現電氣隔離設計時，通常加上光電耦合使得CAN控制器和收發器相連以達到電氣隔離的目的，同時還需要設計電源隔離電路。這種設計方式相對復雜，并且占用電路板面積較大，M模塊標準允許的電路板面積較小，本設計需要同時實現4路相互電氣隔離的CAN總線接口，采用光電耦合電路加隔離電源的方案將會使模塊設計難度增加。而隔離收發器通常內部集成了隔離電路，減少了額外輔助電路的設計，故本模塊采用隔離式收發器。

AD公司的CAN隔離收發器系列可供選擇，該系列有ADM3052/3/4，都可達到1 Mbps的CAN通訊波特率，都有大于500 V的隔離電壓。但是AD3053集成度更高，其功能框圖如圖2所示，它采用單個SOIC表貼封裝，同時集成了通道隔離器、CAN收發器以及隔離式DC/DC轉換器[6]，能夠實現2 500 V的信號隔離和電源隔離。芯片的電源隔離功能由isoPower 集成隔離 DC/DC轉換器實現，其I/O口引出了隔離電源輸出VISOOUT，在電路設計時須將該引腳從外部連接至芯片隔離電源輸入引腳VISOIN，本電路不需要設計電源隔離模塊。芯片的信號隔離通過數字隔離部分和收發器部分實現，邏輯側TxD和RxD等引腳數據以邏輯地GND1為參考，總線側輸入輸出信號以總線地GND2為參考，兩側信號通過數字隔離部分的隔離柵進行耦合。CAN收發器部分可通過Rs引腳選擇高速模式或斜率控制模式。該器件5 V單電源供電，提供完全隔離的CAN解決方案，本設計選擇該芯片為收發器。

圖2 ADM3053功能框圖

2.2 M模塊接口部分

M模塊接口部分決定了本模塊與其上層系統的互聯性，M模塊規范規定了接口特性、電氣和機械要求等。對于具有M模塊載板的任何平臺，例如VMEbus，VXI，LXI等系統，都可使用M模塊實現板級互聯。因此，由于本模塊便于拆裝，接口靈活性強，在許多平臺具有很強的實用性。

M模塊有3種機械尺寸規格：單倍尺寸、雙倍尺寸以及三倍尺寸，本設計采用單倍尺寸規格，M模塊接口通過2排40針連接器與板連接，選擇A08，D08，INTA工作模式，即8位地址線模式，8位數據線，軟件結束中斷。

本設計M模塊的接口信號有：地址信號a7～a1，數據信號d7～d0，片選信號cs_n，讀寫信號wr_n(低電平為寫有效，高電平為讀有效)，數據應答信號dtack，中斷請求信號irq_n以及復位信號rst_n，另外還有+5 V的電壓輸入信號和接地信號，可給模塊上的其他器件提供電源供電。可以看出M模塊接口的地址線和數據線是非復用的，基于其接口信號特點，M模塊與載板之間的數據傳輸模式有基本讀寫方式和中斷方式，通過片選信號cs_n和數據應答信號dtack之間的握手機制實現數據的異步傳輸，握手時間決定了數據傳輸速率。

2.3 接口轉換部分

通過對CAN總線接口部分和M模塊接口部分的分析，可以看出兩部分的接口時序不同，同時為了實現4個CAN通道的接口擴展也需要對接口進行中間的處理。因此M模塊接口與CAN總線控制器接口不能簡單地直連，需進行傳輸方向的控制和數據隔離。

本設計選用可編程邏輯器件實現中間接口轉換，該器件主要實現以下幾個方面功能[7]。

1)完成M模塊接口和CAN控制器接口之間的邏輯、時序轉換，實現M模塊接口的地址數據非復用信號到CAN控制器的地址數據復用信號之間的雙向轉換，實現異步握手通信機制到同步通信機制之間的轉換；

2)通過對M模塊接口地址線譯碼，實現對4個SJA1000的片選功能，完成多通道擴展(本模塊為4通道)。M模塊地址線為a7～a1，由于SJA1000的寄存器范圍為0～31，需要M模塊5條地址線a5～a1即可尋址，對應到SJA1000的ad4～ad0地址線，ad7～ad5三位地址線為0。M模塊高位a7～a6兩條地址線用于邏輯譯碼，使得不同的片選線有效從而選中相應的SJA1000；

3)完成在SJA1000產生中斷后，將中斷傳給上層處理器。本模塊采用的是4通道中斷線與的方式，任何一個CAN控制器產生中斷都將引起處理器的中斷響應，若4個CAN控制器同時產生中斷，會從通道0到通道3依次查詢中斷，采取先查詢先處理的原則。因為沒有被查詢的通道其中斷寄存器內容不會改變，所以不會造成中斷丟失的情況。

由于本設計對邏輯資源要求較低，且由于M模塊板卡尺寸固定布局有限，為了節省板卡空間和簡化電路設計，本模塊采用CPLD作為接口轉換器件。本模塊選擇了Altera公司MAX7000系列的EMP7128STC100。該芯片具有128個宏單元，84個用戶I/O管腳，管腳間延遲快至10 ns，系統內可編程，另外，該芯片采用5 V單電源供電，可實現5 V電壓輸出，這些性能基本滿足板卡設計的考慮。CPLD的全局時鐘采用和SJA1000芯片時鐘一樣的頻率16 MHZ，由晶振統一輸出，并通過時鐘緩沖芯片SN74S244JB扇出。通過以上分析，得出模塊的硬件原理框圖如圖3所示，由于篇幅有限，只給出1個CAN通道的硬件連接圖，其它3個通道的電路設計類似。

圖3 硬件原理框圖

CPLD接口轉換部分的固件使用Verilog設計，通過有限狀態機的方式加以實現，如圖4所示。狀態機總共有5個狀態：S1～S5。

1)S1為空閑狀態，在此狀態下M模塊接口信號與CAN控制器接口信號均處于無效狀態，沒有讀寫周期發生；

2)S2為讀寫開始狀態，在此期間，CAN接口的地址選通信號ale變為有效，其地址數據復用線傳送M模塊地址信號；

3)S3為地址鎖存狀態，ale失效，SJA1000通過ale的下降沿把地址信號鎖存起來；

4)S4為數據有效狀態，根據M模塊接口的write_n信號使能CAN接口的讀寫信號，同時對M模塊地址線進行譯碼選通相應的片選線cs_n0/1/2/3，數據開始在對應的通道上傳輸，如果是讀操作，將M模塊的數據線輸出接上CAN接口的數據輸入，如果是寫操作，M模塊的數據輸入接上CAN接口的數據輸出；

5)S5為接口應答狀態，此時CAN接口完成數據讀寫，其讀寫信號失效，并且驅動M模塊接口的數據應答信號有效，等待信號握手成功。

復位后，狀態機處于S1空閑狀態，M模塊接口的片選信號有效時表示上層處理器發起了讀寫，在時鐘沿到來后即進入讀寫開始狀態S2；在16 MHZ時鐘的作用下，單周期信號變化時間可達62.5 ns，可滿足SJA1000接口讀寫時信號的時序變換要求，因此，在時鐘沿到來時，由S2讀寫開始狀態變換到S5接口應答狀態都是無條件跳轉；而在S5接口應答狀態時，由于M模塊片選信號cs_n與數據應答信號dtack_n握手成功后才代表本次讀寫的結束，因此等待握手后片選信號無效再跳回S1空閑狀態，至此，狀態機完成了循環。

圖4 接口轉換狀態機

3 軟件設計

為了實現本模塊CAN總線通信的功能，需要在硬件的基礎上再進行相應的軟件設計。本模塊4通道之間相互獨立，通道之間只是讀寫寄存器時相應偏移地址的差別，每個通道的軟件設計思想是一致的，本文下面以其中一通道為例進行說明。

本模塊工作于VME總線控制系統中，VME計算機使用的是ARM處理器，操作系統為嵌入式Linux，本模塊的軟件程序在該系統下的C語言開發環境下進行設計，并通過arm-elf-gcc交叉編譯器生成可執行文件。針對CAN總線通信時的需求，在系統的VME總線讀寫驅動和中斷驅動的基礎上，軟件設計部分主要包括3大部分：CAN通道初始化程序、數據接收程序和數據發送程序的設計，利用這3部分就能編寫出CAN總線通信的一般應用程序。

3.1 CAN通道初始化程序

CAN通道初始化程序主要是實現SJA1000控制器相關寄存器的初始化，將硬件配置到用戶需要的模式和狀態，為數據接收和發送做好相關準備。CAN通道初始化流程如圖5所示，關閉中斷后，設置模式寄存器的復位模式位，在該模式下進行SJA1000的初始化操作，依次包括：設置時鐘分頻器確定CAN模式、配置接收濾波器、設置波特率參數以及SJA1000的輸出模式等，完成一系列寄存器初始設置后， 進入工作模式，并且開放中斷，SJA1000的初始化工作完成，可以進入數據接收和發送狀態。

圖5 初始化程序流程圖

3.2 數據接收程序

數據接收程序負責完成CAN總線數據到CAN控制器的接收工作，這部分可能需要對接收溢出、錯誤等異常情況進行處理，采用中斷方式實現。SJA1000收到數據產生相應中斷后，即進入中斷服務程序，其設計流程如圖6所示，首先關閉中斷，讀中斷寄存器確認是否為接收中斷，如果不是則繼續執行其它任務，如果是則進一步判斷接收緩沖區是否產生數據溢出，如果溢出則進行數據溢出相關處理，否則讀取接收緩沖區中收到的CAN總線數據，讀取結束后釋放接收緩沖區以便下一次數據接收。每個通道的接收中斷處理流程一致，只是進入中斷后按照先后順序判斷，先判斷的通道先處理。

圖6 數據接收程序流程圖

3.3 數據發送程序

數據發送程序負責將報文發送到CAN總線，這部分相對數據接收程序較簡單，可采用軟件查詢的方式實現。如圖7所示，通過查詢SJA1000的狀態寄存器，等待發送緩沖器為空后將發送節點的幀信息和ID填入幀頭，將待發送數據填入幀數據段，組合成一幀報文后寫入發送緩沖區，然后設置SJA1000的發送請求位，即可啟動報文的發送。

圖7 數據發送程序流程圖

4 模塊測試

完成軟硬件設計后，需進行實驗測試才能保證各部分的正確性。將本模塊通過M模塊載板搭在VME系統中，該系統VME機箱中有VME控制器模塊，編寫好的軟件程序將傳到該模塊的處理器中，實現對CAN通信模塊控制；與本模塊進行通信的測試卡為周立功公司CANET-4E-U，該測試卡為4通道CAN接口，通過LAN口與計算機相連，操作計算機端的控制面板即可控制CAN通信。該測試卡與本模塊建立起4個獨立的CAN通信網絡，各通道之間相互獨立，測試結構如圖8所示。

圖8 模塊測試結構圖

進行實驗設置時，根據M模塊接口設計要求，M模塊按照A08，D08的要求進行軟件配置以實現對SJA1000各個寄存器的正確讀寫，中斷方式采取INTA的模式。為了驗證CAN接口的功能特性，各通道與CAN接口卡以CAN2.0B協議進行收發通信，通信數據為“01234567”，幀ID遞增，M模塊的收發數據信息可在測試平臺的顯示器上打印，CAN接口卡的運行信息在其對應的操作面板中顯示；同時為了驗證通訊距離是否滿足要求，可將模塊與測試卡通過長度為12米的電纜連接進行通訊；另外，可在軟件層通過命令修改通訊波特率。

本模塊的測試項目及測試結果如表1所示。從表1可以看出，對于數據發送和接收而言，在各通道以一定波特率每隔10 ms發送一幀數據以及測試卡給本模塊各通道每隔10 ms發送一幀數據的情況下，本模塊連續工作1個小時沒有出現數據亂碼或者數據丟失的情況，說明本模塊能夠實現4通道CAN2.0B協議的基本數據收發功能，實現了模塊的基本通信需求；同時，模塊在3種波特率下均工作無誤，說明設計滿足了波特率可程控的要求，且最高波特率達到了CAN總線協議要求的1 Mbps，可將本模塊用于高速的CAN總線通訊；收發兩端在12米的電纜連接下進行可正常通訊，達到了通訊距離設計要求。另外，在實驗過程中發現，如果數據每隔200 us進行收發，有可能因為數據緩沖區溢出而導致數據丟失，因此建議在兩次收發之間加上毫秒級的延時以確保通信的可靠性。

表1 測試項目及測試結果

5 結論

本課題從CAN總線接口特性以及M模塊接口要求出發，研制了可用于4通道CAN總線通訊的M模塊，完成了模塊的軟硬件設計，并進行了模塊測試，經過多次的調試和實驗，說明本模塊最終能滿足模塊的技術要求。

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[2] 張紹兵，郭繼坤，趙艷芹. 基于CAN總線智能適配卡的軟硬件設計[J]. 計算機測量與控制，2008,16(8): 1196-1198.

[3] 趙 君，蔣東方. 基于CAN總線的分布式測控系統[J]. 計算機測量與控制，2006,14(9): 1146-1148.

[4] 王會敏，張遂南. 多通道實時CAN總線模擬器設計[J]. 現代電子技術，2009(22): 173-175.

[5] 曲 波，楊 曄. 基于CPLD的多通道CAN總線接口設計[J]. 儀器儀表學報，2010,31(8): 171-174.

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[7] 張 濤，鄧志杰. 基于PCI總線的智能雙通道CAN通信卡設計[J]. 微電機，2008,41(1): 79-81.

DesignofaMulti-channelCANBusCommunicationM-Module

Fu Ping，Zhou Ying，Qiao Jiaqing

(School of Electrical Engineering and Automation,Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

Aiming at CAN bus communication requirement within a gas turbine monitoring system, this article introduces the design of a multi-channel CAN bus communication M-Module. The design is based on M-Module standard, using four CAN controllers and four isolated CAN transceivers to achieve 4-channel CAN communication control and electrical isolation. The module adopts a CPLD with VerilogHDL firmware to achieve the conversion of M-Module interface and CAN controller interface. A set of test software is developed with C language to realize CAN bus communication control by PC. The experimental results show that this module can realize communication of large amounts of 4-channel CAN data, which meets the design requirement. It can be seen that this M-Module has a good application prospect.

CAN bus; M-module; CPLD

2017-02-26；

2017-04-12。

付 平(1965-)，男，黑龍江哈爾濱人，教授，博士生導師，主要從事自動化測試系統方向的研究。

1671-4598(2017)09-0118-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.031

TP273

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