采用CAN總線的工業(yè)自動(dòng)化平臺(tái)

1、采用CAN總線的工業(yè)自動(dòng)化平臺(tái)        摘 要：本文介紹了如何利用CAN總線設(shè)計(jì)展示幾種車(chē)載及工業(yè)應(yīng)用仿真子系統(tǒng)的演示系統(tǒng)。該平臺(tái)展示了在總線負(fù)載改變時(shí)上述子系統(tǒng)的操作，顯示了多主機(jī)CAN總線的強(qiáng)大可靠性。 -系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)要求概述-演示平臺(tái)意味著它應(yīng)當(dāng)能夠展示如何通過(guò)CAN總線控制幾種子系統(tǒng)，所選子系統(tǒng)應(yīng)類(lèi)似典型的工業(yè)或車(chē)載子系統(tǒng)。子系統(tǒng)分布在三個(gè)電子板上。-由于許多DSP與微處理器都在向3.3V操作移植，因此將德州儀器（TI）的3.3V CAN收發(fā)器組合到平臺(tái)中，從而顯示其如何與標(biāo)準(zhǔn)5V CAN收發(fā)器進(jìn)行互

2、操作。由于這一點(diǎn)，該平臺(tái)既包括3.3V CAN收發(fā)器，也包括5V CAN收發(fā)器。-許多處理器都包括集成的CAN控制器。本演示選擇了三種處理器，覆蓋了低端控制（TMS320LF2406A）、高端控制（TMS320F2810）及普通微處理器（TMS470R1VF338ARM7處理器）市場(chǎng)。-要展示總線的仲裁工作情況，即多于一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要同時(shí)向總線傳輸時(shí)總線如何反應(yīng)，就要添加流量發(fā)生器以對(duì)總線加壓。-本演示包括了以下子系統(tǒng)：-* 風(fēng)扇/溫度控制。-在溫度設(shè)定值發(fā)送至使用風(fēng)扇控制目標(biāo)溫度的溫度控制系統(tǒng)情況下，該系統(tǒng)將用做工業(yè)控制應(yīng)用的模型。舉例而言，它可以仿真HVAC系統(tǒng)，也可以仿真任何在節(jié)點(diǎn)上根據(jù)CA

3、N總線另一節(jié)點(diǎn)的命令設(shè)定值進(jìn)行本地控制的子系統(tǒng)。-* 馬達(dá)控制-該系統(tǒng)用于仿真流行的工業(yè)馬達(dá)控制應(yīng)用。此處的馬達(dá)速度和/或位置由CAN總線上的遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)控制，而實(shí)際的馬達(dá)控制則由節(jié)點(diǎn)之一本地進(jìn)行。-* CAN總線訛誤器（corrupter）-該系統(tǒng)允許向CAN總線注入各種故障，以顯示總線如何檢測(cè)錯(cuò)誤并在錯(cuò)誤移除時(shí)無(wú)故障恢復(fù)。-* 總線負(fù)載因數(shù)控制-該子系統(tǒng)產(chǎn)生額外的CAN總線流量。現(xiàn)有兩種流量發(fā)生器，第一種為額外流量，馬達(dá)速度決定其速率。第二種為完全基于微控制器的流量發(fā)生器。其目的在于用額外的流量進(jìn)行總線加載，從而導(dǎo)致發(fā)生總線仲裁，以顯示CAN總線對(duì)高總線負(fù)載的強(qiáng)大可靠性。在高總線負(fù)載下，優(yōu)先級(jí)

4、較低的數(shù)據(jù)包傳送延遲，而優(yōu)先級(jí)較高的數(shù)據(jù)包將使用總線。我們已設(shè)定平臺(tái)使之在低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包延遲時(shí)給出音響提示。圖2是各種子系統(tǒng)及其分布。-在總線上通信-CAN總線處理器之間的通信由專(zhuān)門(mén)的CAN控制器處理，其作為每個(gè)處理器器件的一部分。上述控制器支持CAN協(xié)議的2.0B版本。雖然三個(gè)處理器之間的硬件相似，但可用的控制器有所不同，見(jiàn)表1。-消息通過(guò)“郵箱”從處理器發(fā)送到處理器。這些郵箱經(jīng)過(guò)配置可接收或傳輸含確定消息標(biāo)志符的消息。發(fā)送消息時(shí)，每個(gè)處理器的控制器參與確認(rèn)消息已正確發(fā)送。隨后，如果消息標(biāo)志符與郵箱的消息標(biāo)志符相匹配，則存儲(chǔ)消息以備處理。如果不匹配，則放棄消息。3.3V與5V的互操作性-IS

5、O 11898所描述的CAN物理層基本為5V系統(tǒng)，使信號(hào)線偏置為2.5V。使用5V部分作為CAN收發(fā)器似乎很自然，這也是傳統(tǒng)的做法。但是，大多數(shù)電子系統(tǒng)都在向3.3V或更低的操作移植。理想的CAN收發(fā)器將允許采用3.3V電源的操作。TI提供一系列在3.3V上工作的CAN收發(fā)器（SN65HVD23x），但允許在傳統(tǒng)的5VCAN總線上工作。該平臺(tái)使用5V與3.3VCAN收發(fā)器的混合，顯示了兩種類(lèi)型器件之間的互操作性。輔助進(jìn)行演示與評(píng)估的特性-我們向演示平臺(tái)添加了某些特性，以輔助對(duì)CAN總線功能進(jìn)行評(píng)估。這些特性介紹如下。F2810包括一個(gè)SCI接口，可通過(guò)電平轉(zhuǎn)換器（如SN75LV4737A）方便

6、地連接到PC的UART。我們開(kāi)發(fā)了命令接口，允許從主機(jī)PC上的程序?qū)偩€操作進(jìn)行監(jiān)視與控制。我們可使用該程序向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制消息，并監(jiān)視CAN總線的狀態(tài)。在板上放置了幾個(gè)LED以顯示CAN總線何時(shí)工作、何時(shí)從PC接收命令等。 總線負(fù)載與訛誤（Corruption）-這部分將描述用于給總線加載流量的電路系統(tǒng)及用于向總線注入錯(cuò)誤條件的電路系統(tǒng)。-總線負(fù)載-現(xiàn)有兩種機(jī)制可給CAN總線加載流量。第一種機(jī)制為傳感器節(jié)點(diǎn)上的“滿溢數(shù)據(jù)包（flood packet）”發(fā)生器。數(shù)據(jù)包充滿總線的速率通過(guò)膝上型電腦或PC的GUI接口的下拉菜單項(xiàng)控制。合適的滿溢速率取決于總線的數(shù)據(jù)速率（1Mbps、500kbps

7、、250kbps、125kbps）。表2顯示了就每種數(shù)據(jù)速率而言總線上的理論最大數(shù)據(jù)包負(fù)載，以及總線負(fù)載接近最大時(shí)GUI上可用的推薦速率。消息的位長(zhǎng)由以下方程式得出：-L=SOF+MSGID+RTR+CTRL+（8·MSGLENGTH）+CRC+ACK+EOF+IFS+STUFF-其中：-* SOF是幀長(zhǎng)度的起點(diǎn)，1b。-* MSGID是消息標(biāo)識(shí)符長(zhǎng)度，11b-* RTR是遠(yuǎn)程傳輸請(qǐng)求的位長(zhǎng)，1b-* CTRL是控制字段長(zhǎng)度，6b，其包括IDE（標(biāo)志符擴(kuò)展位）、r0（保留位）以及DLC（數(shù)據(jù)長(zhǎng)度）字段。-* MSGLENGTH是消息所占字節(jié)的長(zhǎng)度。大多數(shù)消息為6B長(zhǎng)，其中一條消息為8

8、字節(jié)長(zhǎng)。計(jì)算時(shí)假定為6B。-* CRT是循環(huán)冗余碼的長(zhǎng)度，16bit。-* ACK是確認(rèn)比特（acknowledge bit）的長(zhǎng)度（此為2）。-* EOF是幀結(jié)尾標(biāo)志符長(zhǎng)度，7b-* IFS是消息間的最小總線幀間間隔時(shí)間，7b。-* STUFF是因填充位（stuff bit）造成的消息額外時(shí)間。長(zhǎng)串零之后總線將強(qiáng)制進(jìn)行轉(zhuǎn)移，我們假定消息與消息標(biāo)志符的填充位最大數(shù)為（11+48）/5b。-第二種機(jī)制可用來(lái)使總線負(fù)載超出其容量。馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的速率決定著馬達(dá)速度數(shù)據(jù)包載入總線的速率。馬達(dá)速度從零開(kāi)始上升時(shí)，總線的負(fù)載也逐漸加大。在某一點(diǎn)上，傳感器節(jié)點(diǎn)上“滿溢數(shù)據(jù)包”發(fā)生器的低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包及馬達(dá)節(jié)點(diǎn)的馬

9、達(dá)數(shù)據(jù)包將被延遲，從而使得更高優(yōu)先級(jí)的流量可進(jìn)入總線。系統(tǒng)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)檢測(cè)延遲的消息，通過(guò)使揚(yáng)聲器發(fā)出卡嗒聲表明發(fā)生了消息延遲。因此，揚(yáng)聲器卡嗒聲表明總線仲裁正在工作，使得低優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)滿溢及馬達(dá)位置數(shù)據(jù)包延遲，以支持高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包的傳輸?？偩€訛誤-系統(tǒng)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)還包括在GUI接口控制下向總線注入錯(cuò)誤條件的功能。總線訛誤器能夠?qū)偩€進(jìn)行以下工作：-* 打開(kāi)系統(tǒng)監(jiān)控板上總線連接器與CAN收發(fā)器之間的CAN_high line-* 打開(kāi)系統(tǒng)監(jiān)控板上總線連接器與CAN收發(fā)器之間的CAN_low line-* 短路CAN_high line為5V-* 短路CAN_low line為5V-* 短路CAN_hi

10、gh line為接地-* 短路CAN_low line為接地-* 同時(shí)短路CAN_high line與CAN_high line-* 去除CAN線路之間的終端-* 在CAN線路間安裝更多的終端-還可以產(chǎn)生另一種錯(cuò)誤：-* 使CAN節(jié)點(diǎn)斷電（將一塊板從電源上拔下）-就上述大多數(shù)錯(cuò)誤而言，總線將停止工作。上述某些錯(cuò)誤條件將導(dǎo)致總線出錯(cuò)率下降。我們可通過(guò)GUI接口提供的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)查看錯(cuò)誤條件的影響。我們要求CAN收發(fā)器能夠承受上述錯(cuò)誤條件并在故障去除后恢復(fù)相同的出錯(cuò)率性能。性能測(cè)量-本部分將總結(jié)平臺(tái)的性能評(píng)估。我們通過(guò)觀察在兩種不同cable長(zhǎng)度的每個(gè)總線訛誤模式下如何影響節(jié)點(diǎn)間的通信來(lái)測(cè)量性能。為了

11、測(cè)試總線斷電節(jié)點(diǎn)的影響，馬達(dá)節(jié)點(diǎn)關(guān)閉。這些測(cè)試在CAN總線的不同波特率下重復(fù)進(jìn)行。最后，我們用Philips PCA82C251替代TI的SN65HVD251 5V CAN收發(fā)器再次進(jìn)行測(cè)試。在所有情況下，TI的CAN收發(fā)器去除訛誤模式后均未出現(xiàn)損壞或性能下降。并且，TI的CAN收發(fā)器與Philips PCA82C251 CAN收發(fā)器性能相當(dāng)。產(chǎn)品支持-通過(guò)TI的產(chǎn)品支持組織提供對(duì)本設(shè)計(jì)中各個(gè)組件的支持。您可從下面找到感興趣的更多信息：結(jié)論-該平臺(tái)演示了CAN總線電子器件的上述四項(xiàng)關(guān)鍵屬性以及TI提供的CAN總線電子產(chǎn)品。-* 5V與3.3V CAN總線收發(fā)器的互操作性。-通過(guò)混合采用5V與3

12、.3V CAN總線收發(fā)器，顯示了標(biāo)準(zhǔn)5V CAN總線系統(tǒng)的互操作性。-* CAN總線的多主機(jī)操作。-三個(gè)節(jié)點(diǎn)中的任一個(gè)均產(chǎn)生消息，并傳遞至其余兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的任意一個(gè)。在總線上沒(méi)有節(jié)點(diǎn)居于主導(dǎo)地位。相反，總線操作由消息的優(yōu)先級(jí)決定。-* 總線仲裁操作-如果總線加載了大量的低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包時(shí)，高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包可干預(yù)低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包的及時(shí)交付。低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包因?yàn)楦邇?yōu)先級(jí)流量而延遲時(shí)，該平臺(tái)將通過(guò)聲音提示反映這種情況。這表明總線仲裁正確工作，讓總線首先為高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包服務(wù)。-* 注入錯(cuò)誤條件的性能-總線訛誤器允許各種錯(cuò)誤條件注入總線。大多數(shù)情況下，總線在注入錯(cuò)誤條件時(shí)將不能工作。最重要的是，總線在注入錯(cuò)誤條件去除后還能恢復(fù)，