四通道隔離CAN通訊模塊設計

鳳 雷，陳 帥，吳家順，張博亞

(1.哈爾濱工業大學，哈爾濱 150001；2.中國艦船研究設計中心，武漢 430000；3.火箭軍裝備部駐哈爾濱地區軍事代表室,哈爾濱 150001)

0 引言

控制器局域網(Controller Area Network，CAN)總線是由德國汽車系統供應商Robert Bosch于19世紀80年代中期開發的一種串行通信總線網絡[1]，憑借著較高的性能，該總線吸引了越來越多的關注。由于其成本低、實時處理能力強、在強電磁干擾環境下工作可靠[2]，其應用范圍已從汽車電子控制擴展到工業自動化、交通運輸、醫療設備、樓宇自動化等工業控制領域[3-4]。如今，CAN總線已通過國際標準(ISO 11898)認證，并成為了最有前途的現場總線之一[5]。

隨著CAN總線系統復雜程度越來越高，總線節點不斷增加，通信負荷不斷加重，采用單通道CAN總線通信難以滿足實時性的要求[6-7]。除此之外，為了滿足對通信可靠性和容錯性的日益嚴格的要求，可行的技術手段之一就是采用冗余通信網絡，而該網絡通常是以多通道通信技術為基礎的[8-9]。當一個CAN總線節點具有多個通道時，用戶可以更方便的進行冗余設計；另一方面，當數據傳輸比較繁忙時，多個通道可以分擔通信負荷。因此，多通道CAN總線通信具有一定的必要性和良好的應用前景。本文設計了一種CPCI四通道隔離CAN總線通訊模塊，該模塊不僅成本低、集成度高，而且具有良好的實時性、可靠性和容錯性。

1 系統結構及分析

設計的CPCI四通道CAN總線通信模塊作為外圍功能模塊插在CPCI機箱中，可構成如圖1所示的CPCI總線系統結構。四通道CAN總線通訊模塊作為節點連接外部CAN總線，CPCI控制器運行Windows操作系統，應用程序通過調用模塊函數庫中的接口函數實現對四通道CAN總線通訊模塊通信功能的控制。在四通道CAN總線通訊模塊的設計過程中，需要考慮CPCI總線接口和四通道CAN總線接口的實現方式。

圖1 CPCI總線系統結構

1.1 CPCI接口

CPCI總線接口用于和主機進行數據交互，現如今有兩種主流的實現方式：

1)專用接口芯片：例如PLX公司的PCI9054和PCI9056。使用這些芯片的優點是可靠性高，缺點是可能會造成一定的資源浪費，并且缺乏設計靈活性。

2)專用IP核：使用IP核的優點是靈活性好，開發周期短；缺點是IP核的價格相對較高，例如，Xilinx的LogiCore，Altera的MegaCore。

1.2 CAN接口

CAN接口作為連接處理器和CAN總線的橋梁，主要由符合CAN總線協議規范的控制器和收發器組成。其中，CAN控制器用于控制節點的數據通信，完成收發報文與符合規范的CAN幀間的轉換；而CAN收發器的主要功能是完成控制器邏輯電平和總線差分電平間的轉換，實現物理層功能。

現如今CAN控制器有3種主流的實現方式：

1)獨立型CAN總線控制器芯片：常見的有NXP公司的SJA1000，該控制器發展時間長，產品性能好，技術成熟，但在多通道設計中，其具有集成度低的缺點。

2)集成有CAN總線控制器的單片機：這種方式在一定程度上提高了集成度和可靠性，但軟件程序可移植性差，而且單片機更新換代速度快，產品的生命周期無法得到保障。

3)CAN IP核：采用IP核可以大大提高模塊的集成度，降低系統功耗，提高產品的綜合性能，但核的價格普遍比較昂貴。

如今市場上有兩種類型的CAN收發器可供選擇：

1)非隔離收發器：常見的有NXP公司的TJA1050。為了增強節點的抗干擾能力，這種收發器在實現電氣隔離時，并不是直接和CAN控制器相連，而是在兩者之間加上高速光電耦合器件來實現電氣隔離，與此同時，還必須在光耦的兩端加上隔離的電源來保證光電耦合的有效性，這就需要設計額外的隔離電源模塊，增加了設計的復雜性。

2)隔離收發器：常用的隔離收發器有ZLG公司的CTM1051和AD公司的ADM3052/3/4系列，此類芯片通常內置有隔離電源轉換、信號隔離等電路，具備較高集成度和可靠性，減少了收發器外部輔助模塊的設計工作。

在實際設計的過程中，需要根據實際情況例如實現難度、成本和板卡尺寸等限制條件來選擇CPCI接口、CAN控制器和CAN收發器的實現方式。

2 硬件設計

硬件設計包括硬件電路設計和固件設計，下面分別介紹這兩個方面的設計工作。

2.1 硬件電路設計

根據設計指標要求，該模塊應設計為PCI總線3U尺寸的單槽儀器模塊，實現四通道CAN總線通訊接口，符合CAN 2.0B版本規范，波特率最高1Mbps，CAN總線接口電路可實現電氣隔離。綜合考慮成本、集成度、實現難度等因素，本次設計選擇PCI IP核來實現CPCI接口，CAN IP核來實現CAN總線控制器，ZLG公司的CTM1051來作為CAN總線收發器。硬件電路結構如圖2所示。硬件電路這部分主要包括以FPGA為核心的最小系統的外圍電路設計和四通道CAN總線接口設計。

圖2 四通道CAN通訊模塊的硬件電路結構

1) PCI IP核：使用Altera的開發工具Quartus Ⅱ提供的PCI核，并根據價格、I/O資源和邏輯資源等條件來選擇Altera的FPGA產品。通過在Quartus Ⅱ中建立相關工程，得到了該設計的整體資源占用情況，考慮到實驗室的庫存，最終選擇了Cyclone系列的FPGA EP1C12Q240C8，這款FPGA具有12 060個邏輯單元、240個管腳和239 616位的存儲，在滿足設計要求的同時可以大大降低設計的成本。

2) CAN IP核：使用開源平臺OpenCores提供的CAN總線IP核[10]，這樣一來可以節省成本。然而，正如OpenCores網站的bugtracker頁中所報告的那樣，該內核中仍然存在著一些bug。在文獻[11]中，作者通過搭建基于UVM的驗證平臺并采用適當的驗證策略對該內核進行了驗證，并發現了其中存在的一些問題，解決了發現的問題后，成功通過了回歸測試。根據給出的功能覆蓋率和代碼覆蓋率可知修改后的IP核是可以使用的，可用于實現CAN總線控制器。

3) CAN收發器：為了實現電氣隔離并提高板卡集成度，決定采用CAN隔離收發器，常見的例如ZLG公司的CTM1051和AD公司的ADM3053，為了進一步節約成本，最終選用國產芯片CTM1051來作為CAN收發器。

2.2 固件設計

固件部分主要是實現PCI總線接口和CAN總線接口并完成兩者之間的連接，其在SOPC Builder中的連接如圖3所示。

圖3 固件連接框圖

1) 時鐘：該模塊使用33 MHz和16 MHz兩個時鐘，其中33 MHz來自機箱背板，提供給PCI總線和Avalon總線使用；16 MHz時鐘來自外部晶振，提供給CAN總線IP核使用。

2) PCI總線IP核：采用的是SOPC Builder中自帶的PCI總線IP核。在調用PCI總線IP核之前，需要正確設置該IP核的相關屬性。

3) CAN總線IP核：采用OpenCores開源平臺提供的CAN IP核來實現CAN控制器。為了解決IP核中存在的一些問題，其源代碼已經經過了修改。

4) 中斷處理：功能是把來自于四路CAN總線的中斷信號統一連接到本地Avalon總線的中斷線上。

3 軟件設計

為了實現四通道CAN總線通訊功能，需要在硬件設計的基礎上進行相應的軟件設計。首先，使用NI-VISA提供的工具VISA Driver Development Wizard來生成設備驅動程序，這個過程包括填寫廠家代碼和模塊序列號、生成中斷程序等操作。接下來介紹在Windows操作系統下利用LabWindows/CVI進行儀器驅動程序和應用程序設計的過程。

3.1 儀器驅動程序設計

根據VPP儀器驅動程序內部設計模型的要求，設計得到了該模塊的函數樹，如圖4所示。在參考文獻[12]中提到的容錯冗余就可以通過圖4中所示的儀器驅動程序來實現。

圖4 函數樹

本文主要介紹使用儀器驅動程序設計的用于CAN總線通訊的3個主要程序。

1) CAN通道初始化程序：通過配置CAN控制器的相關寄存器為后續數據傳輸做準備，流程圖如圖5所示。首先設置模式寄存器為復位模式，隨后依次對CAN控制器中的多個寄存器進行配置，分別完成時鐘分頻器、濾波模式、驗證和屏蔽碼、中斷使能以及波特率等屬性的設置，最后進入工作模式并注冊開啟中斷[13]。通過以上步驟實現CAN通道初始化后，即可等待進行報文接收或發送操作。

圖5 通道初始化程序流程圖

2) CAN報文發送程序：CAN報文發送程序負責把報文發送到CAN總線上。報文發送之前得先讀取CAN狀態寄存器的值，只有在滿足總線空閑、上一次報文發送完成和CPU可以向發送緩沖器寫數據的條件下，才能將CAN報文結構體里設置的信息寫到發送緩沖區并發送，發送每幀報文后，發送緩沖區都會自動清空，以備下一個要發送的報文。其流程圖如圖6所示。

圖6 報文發送程序流程圖

3) CAN報文接收程序：CAN報文接收程序采用中斷方式實現，負責接收總線上其他CAN節點發來的數據，流程圖如圖7所示。CAN控制器完成數據接收后會產生相應中斷并跳轉到中斷服務程序，在中斷服務程序中首先關閉中斷，然后訪問中斷狀態寄存器判斷當前中斷類型，如果不是接收中斷則需執行其他中斷處理；否則讀取接收緩沖區中緩存的CAN總線報文，讀取完成后釋放緩沖區用于下一次數據接收，最后重新開啟中斷并退出中斷服務程序[13]。

圖7 報文接收程序流程圖

實際應用中，由于數據量大，在數據傳輸的過程中經常會出現數據丟失。為了盡量避免這種情況發生，就需要進行數據緩存。常用的方法有兩種：

1) 使用片上存儲器：例如SRAM、DRAM等。通過編寫Verilog代碼將片上存儲器變成FIFO。讀取的數據直接存儲在FIFO中，然后主機通過CPCI接口從FIFO中讀取數據。這樣可以節省計算機的存儲資源，但是實現起來比較困難，并且不利于集成度的提高。

2) 使用計算機的存儲器：在主機中，一部分物理內存可以通過C語言代碼實現位FIFO。讀取的數據首先通過CPCI接口存儲在FIFO中，然后顯示在軟面板上。這種方式實現起來比較容易，但是會消耗一部分計算機內存資源。

由于使用的CPCI機箱的嵌入式控制器具有足夠的內存資源，為了縮短開發周期并提高集成度，最終采用第二種方式來進行數據緩存，實際設計的緩存大小為130 000幀。

3.2 軟面板設計

軟面板主要通過調用模塊的儀器驅動程序來實現UI功能，例如初始化、消息發送和消息接收等。除此之外，為了便于人機交互，還設計了數據的實時顯示和數據保存功能。設計的軟面板如圖8所示。

圖8 軟面板

4 實驗結果與分析

測試的目的是為了驗證模塊各項功能的正確性。為此，搭建了如圖9所示的測試平臺。在測試平臺中，設計的四通道CAN總線通訊模塊作為一個外圍模塊插在CPCI機箱中，采用ZLG公司的CAN總線分析儀CANScope[14-16]和配套的模擬信號測試擴展板CANStressZ對該模塊進行相關測試。CANScope和計算機之間通過USB連接，在計算機中安裝配套軟件CANScope來控制分析儀執行相關操作和測試。

圖9 測試平臺結構

在本次測試中，測試了該模塊的一些重要性能指標。除此之外，還測試了模塊在一些誤操作或人為干擾等條件下的工作情況，本文將主要介紹采樣點測試、位寬容忍度測試、短路測試和開路測試。

4.1 采樣點測試

信號位采樣點是指CAN節點識別一個電平邏輯的位置。一般CAN節點都是采用一次采樣，也就是一個位采樣一次。由于CAN電平在變化的時候，都會出現抖動等“反射現象”，所以為了保證采樣準確，采樣點位置都在一個位的50%以后的區域，因為這是電平已經趨于靜態，采樣的邏輯值錯誤率也就比較低。

但采樣點的位置也不是越往后越好，當超過95%時，如果有通訊節點間有位寬偏差，就很容易發生錯誤。所以CANOPEN國際組織(CANOPEN International Agency，CIA)規定采樣點推薦值為87.5%。

在多節點通信中，如果采樣點適應范圍無交集，會導致CAN重同步失敗，通訊失敗率增加，所以測試每個節點的采樣點范圍，對于設備兼容性和系統穩定性有著重要意義。

根據CANScope的用戶手冊可得采樣點位置的評價標準，如表1所示。

表1 采樣點位置評價

通過CANScope軟件的采樣點測試功能，得到了該模塊的采樣點測試結果，如圖10所示，箭頭區域是采樣點的適用范圍。可以看出，該模塊的采樣點特征值為75%，采樣點適應范圍為70%～80%，也就是說，只有當其他節點的采樣點在此范圍內時，它們才能與該模塊通信。結合表1中的評價標準可知，該模塊具有較好的兼容性。

圖10 采樣點測試結果

4.2 位寬容忍度測試

波特率就是信號位的最小脈寬，是保證CAN總線正常通訊的基礎。波特率不匹配或者波特率存在偏差會導致CAN節點對總線信號的識別錯誤，造成總線通訊異常或者無法通訊。因此在對任何CAN節點進行測試標定時，第一步都需要進行信號的位寬度和波特率適應范圍的測試，標定出被測試節點的位寬度和波特率適應范圍，保證出廠后可以兼容所有的網絡。

在測量波特率適應范圍時，該模塊不主動發送數據，通過軟件的位寬容忍度測試功能來控制CANScope發送測試報文，得到該模塊在常用的1 000 kbps下的位寬容忍度測試結果如圖11所示。

圖11 容忍度測試結果

位寬度和波特率適應范圍的測試，體現了一個CAN節點波特率的準確性和適應性，描述了節點在溫度變化、網絡其他節點波特率偏差情況下的兼容能力。根據各大汽車廠商的標準，位寬容忍度范圍≥±3%即可認為該節點的位寬容忍度測試達標，因此，根據上述測試結果可知該模塊的位寬容忍度指標已經達標。

4.3 短路測試

在CANScope軟件中，可以通過配置CANStressZ擴展板來讓CAN網絡處于短路狀態，然后讓被測模塊發送數據，示波器窗口顯示的波形如圖12所示。可以看到波形已經差到無法完成正常的數據通信。在短路狀態被解除后，可以得到正常數據傳輸時的波形如圖13所示。圖13是軟件CANWave窗口顯示的波形，包含了差分電平、邏輯電平以及對報文的解析。

圖12 短路測試結果

圖13 正常通信CANWave窗口波形

4.4 斷路測試

在CANScope軟件中，也可以通過配置CANStressZ擴展板來讓CAN網絡處于斷路狀態。然后，待測模塊發送數據，得到的波形如圖14所示。波形同樣已經無法完成正常的數據通信。在解除斷路狀態后，又可以恢復圖13中的正常數據傳輸時的波形。

圖14 斷路測試結果

除了上述測試外，為了測試模塊在長時間工作條件下的穩定性，還進行了相關實驗：采用擴展遠程幀，數據內容固定，幀ID逐幀遞增。被測模塊每50 ms發送一幀數據，與此同時，CANScope也每50 ms發送一幀數據，連續工作三小時。經過多次反復實驗，都沒有出現數據錯誤或丟失現象，表明了模塊具有長時間工作的能力。

所有的測試可以表明本文設計的四通道隔離CAN總線通訊模塊可以實現CAN 2.0B規范所規定的數據收發功能，并具有良好的性能指標和一定的錯誤處理能力。

5 結束語

本文從實際應用需求出發，針對單通道CAN總線通訊系統的不足完成了CPCI四通道隔離CAN總線通訊模塊的設計，并進行了相關的功能測試來驗證設計的正確性，測試結果表明本文設計的模塊滿足設計要求，具備良好的性能指標以及四通道CAN總線數據傳輸的能力。