[align=center]Design Of CAN Bus Intelligent Node Based On INFINEON Li Song Hu Yu-lan （Shenyang Ligong University ,Shenyang 110168 ,China） （沈陽(yáng)理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110168）[/align] 摘 要： 提出了一種基于英飛凌微控制器XC164CS的CAN總線分布式智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，給出了系統(tǒng)硬件框圖、軟件流程圖、電路原理圖，所設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，外擴(kuò)器件少，結(jié)構(gòu)合理，可靠性高，且節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展方便，已用于某工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，波特率為10Kbps。 關(guān)鍵詞：CAN總線；XC164CS; 英飛凌微控制器；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；CAN通信 中圖分類(lèi)號(hào):TP 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A Abstract: Controller Area Network（CAN）is a kind of serial communication network that supports the distributed control, and has characteristics of high capability and high reliability. Put forward design of CAN bus intelligent data collect node which based on INFINEON single-chip XC164CS．Given the system hardware frame diagram、program design、circuit principle drawing, The design was suitable for some industry scene，Band Rate equation 10 kbps． Keywords: CAN Bus；INFINEON；XC164-8F20 Micro-Controller; Network Node；CAN Communication 在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，如何將采集到的數(shù)據(jù)及時(shí)安全地傳送給數(shù)據(jù)監(jiān)控與處理系統(tǒng)是工業(yè)控制系統(tǒng)首要解決的一個(gè)實(shí)際問(wèn)題．對(duì)于這一實(shí)際問(wèn)題通常采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，控制器局域網(wǎng)（CAN）屬于總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)．CAN 總線與一般的通信總線相比，它的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性．由于CAN本身的特點(diǎn)，其應(yīng)用范圍目前已不再局限于汽車(chē)行業(yè)，而擴(kuò)展到了機(jī)械工業(yè)、紡織機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械、家用電器及傳感器等領(lǐng)域發(fā)展，CAN總線已成為工業(yè)采集領(lǐng)域中首選的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。 1 CAN總線系統(tǒng)的組成模式 1.1 CAN總線特點(diǎn) （1）CAN采用多主方式工作，不分主從。 （2）CAN采用非破壞總線仲裁技術(shù)，大大節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間。尤其是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下，也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況。 （3）在速率5kpbs以下時(shí)，CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km；在通信距離為 40m 以下時(shí)，CAN的通信速率最高可達(dá)1mbps；CAN上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá)110個(gè)。 （4）CAN總線數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度最多為8個(gè)字節(jié)，因此可保證很短的傳輸時(shí)間，而且實(shí)時(shí)性強(qiáng)，受干擾的概率低，CAN的每幀信息都有CRC校驗(yàn)，具有極好的檢錯(cuò)效果，能夠滿足工業(yè)領(lǐng)域中對(duì)一個(gè)工作點(diǎn)的控制命令或數(shù)據(jù)采集的要求。 （5）CAN總線節(jié)點(diǎn)在嚴(yán)重錯(cuò)誤的情況下，可自動(dòng)切斷與總線的聯(lián)系，以使總線上的其他操作不受影響。 1.2 CAN總線系統(tǒng)的組成模式 CAN總線技術(shù)的控制系統(tǒng)一般采用總線式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其組成模式如圖１所示．主要由監(jiān)控站和若干智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，上位監(jiān)控站選用ＰＣ機(jī)，它是整個(gè)系統(tǒng)的中心，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的監(jiān)控、管理功能。CAN通信卡通過(guò)串口與ＰＣ機(jī)通訊，承擔(dān)上位機(jī)和 ＣＡＮ 節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。 [align=center] 圖 １ ＣＡＮ總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖[/align] ２ 基于英飛凌的CAN總線智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì) ２.1 英飛凌XC164CS的特點(diǎn) 性價(jià)比高是CAN總線智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)力求的設(shè)計(jì)目標(biāo)，所以在選用作為核心器件的控制器時(shí)選用片內(nèi)資源豐富的英飛凌XC164CS，XC164CS具有令人印象深刻的DSP性能和先進(jìn)的中斷處理，加上一種集成高效的外設(shè)集成高性能在片F(xiàn)LASH或 ROM存儲(chǔ)器，這些使得XC164CS成為工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用設(shè)備的理想選擇。其靈活的智能PWM單元簡(jiǎn)化了AC, DC或阻抗馬達(dá)的控制。高速、高分辨ADC處理復(fù)雜的模擬環(huán)境的快速和精確轉(zhuǎn)換。網(wǎng)絡(luò)化的方案完全可以采用高效的通信接口來(lái)解決，如具有自動(dòng)網(wǎng)關(guān)功能的高速TwinCAN模塊。 2.2 基于英飛凌的CAN總線智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu) CAN總線測(cè)控節(jié)點(diǎn)主要任務(wù)為數(shù)據(jù)采集、處理與CAN通信，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如2所 示．設(shè)計(jì)中，上位機(jī)通過(guò)CAN總線適配卡可與多個(gè)CAN總線智能數(shù)據(jù)測(cè)控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交換．CAN 總線智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)把采集到的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，進(jìn)入MCU處理，由CAN收發(fā)器經(jīng)由總線與上位機(jī)進(jìn)行 CAN 協(xié)議的數(shù)據(jù)交換，上位機(jī)對(duì)檢測(cè)到的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)一步分析、處理或存儲(chǔ)，完成系統(tǒng)的在線檢測(cè)、計(jì)算機(jī)分析，處理完畢后，將數(shù)字量結(jié)果重新轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量，用于驅(qū)動(dòng)顯示儀表、記錄設(shè)備和反饋控制系統(tǒng)，去執(zhí)行相應(yīng)的操作。 [align=center] 圖２ CAN總線測(cè)控節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)框圖[/align] ３ 基于英飛凌的CAN總線智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì) 軟件所實(shí)現(xiàn)的功能主要包括：采集數(shù)據(jù)的誤差校正、標(biāo)度換算、系統(tǒng)自身的調(diào)零、校準(zhǔn)，系統(tǒng)的故障檢測(cè)、CAN協(xié)議轉(zhuǎn)換、CAN通訊等，軟件流程如圖3所示。 ①上電初始化：包括A/D初始化，CAN控制器初始化，定時(shí)器初始化，中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置等。 ②標(biāo)度換算：每一個(gè)數(shù)字量都和不同的物理量相對(duì)應(yīng)，標(biāo)度換算就是把數(shù)字量變成物理量的過(guò)程，經(jīng)過(guò)換算的物理量是符合上、下位機(jī)通信協(xié)議的數(shù)字量。 ③數(shù)字調(diào)零；數(shù)字調(diào)零手段主要是為了消除模擬開(kāi)關(guān)、放大電路以及 A/D轉(zhuǎn)換器本身的偏差，削弱各種隨時(shí)間和溫度變化的漂移的影響 。 ④非線性補(bǔ)償：輸入的數(shù)字量與對(duì)應(yīng)的物理量呈非線性關(guān)系，對(duì)輸入的數(shù)字量進(jìn)行線性化處理 ，本設(shè)計(jì)采用的線性差值法。 ⑤數(shù)字濾波：數(shù)字濾波是通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算或者判斷程序，對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行平滑處理，分離出有用的信號(hào)，消除或減少各種干擾和噪聲。本案將使用程序判斷濾波法、中值濾波法、算術(shù)平均濾波法、加權(quán)平均濾波法等 。 ⑥溫度補(bǔ)償：測(cè)試點(diǎn)的環(huán)境溫度將直接影響測(cè)量，需要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償，首先要測(cè)出測(cè)量點(diǎn)的溫度，該溫度信號(hào)作為多路采樣開(kāi)關(guān)采集信號(hào)的一路送入單片機(jī)。測(cè)溫元件的輸出經(jīng)放大及A／D轉(zhuǎn)換送到單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)并行接口接收溫度數(shù)據(jù)，并暫存溫度數(shù)據(jù)。信號(hào)采樣結(jié)束，單片機(jī)運(yùn)行溫度誤差補(bǔ)償程序，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行溫度補(bǔ)償 ⑦系統(tǒng)自檢：上電初始化后即進(jìn)行系統(tǒng)自檢，包括CPU自檢，外部存儲(chǔ)單元的自檢等。 ⑧故障診斷：故障診斷將采用以下四種方法進(jìn)行力所能及的故障診斷，有以下四種方法： a．值域判定法b．時(shí)域判定法c．功能判定法d．邏輯判定法。 [align=center] 圖３ 軟件流程圖[/align] 4 設(shè)計(jì)實(shí)例 4.1設(shè)計(jì)實(shí)例 在本設(shè)計(jì)中，測(cè)控節(jié)點(diǎn)可以采集14路模擬量、8路開(kāi)關(guān)量、2路SPI、2路SCI、5路脈沖量。14路模擬量先經(jīng)信號(hào)調(diào)理，轉(zhuǎn)換為 ０～2.5Ｖ的直流電壓，再由 １∶１的隔離放大器送XC164的１０位ADC．１０位ADC的工作模式選擇與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換操作由XC164 的內(nèi)部寄存器 ADDC 和 ADDR 的編程控制完成。8路開(kāi)關(guān)量由 XC164的 8個(gè)GPIO進(jìn)行輸入。5路脈沖量通過(guò)鑒相器處理后由CPU計(jì)數(shù)。SPI和SCI信號(hào)直接連接到MCU的SPI和SCI控制器。硬件電路只需要在XC164CS的TD1（CAN1的發(fā)送器輸出腳）與RD1（CAN1 的接收器輸入腳）外接CAN總線驅(qū)動(dòng)器即可．圖4中CAN總線驅(qū)動(dòng)器使用的是PCA82C250T，它是連接CAN控制器和物理總線之間的接口。為了進(jìn)一步提高 CAN 總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力， XC164CS的 TD1 和RD1分別通過(guò)高速光耦6N137與PCA82C250T的TXD和RXD 相連．光耦部分電路所采用的兩個(gè)電源必須完全隔離。為了提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的拓?fù)淠芰?CAN總線兩端需要接有120Ω的抑制反射的終端電阻。為了減小現(xiàn)場(chǎng)對(duì)節(jié)點(diǎn)的干擾，采用屏蔽雙絞線。本設(shè)計(jì)中，XC164 既作為主控制器，還作為CAN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)控制器，與網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示。 A/D轉(zhuǎn)換部分采用的自動(dòng)掃描連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，對(duì)選中的通道組進(jìn)行重復(fù)轉(zhuǎn)換。每次轉(zhuǎn)換結(jié)束后進(jìn)入中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。 CAN通信開(kāi)啟接收和中斷，當(dāng)接收到主機(jī)命令的時(shí)候，進(jìn)入接收中斷，發(fā)送被選擇的報(bào)文對(duì)象。當(dāng)發(fā)送錯(cuò)誤時(shí)進(jìn)入發(fā)送中斷，進(jìn)行重發(fā)相關(guān)的報(bào)文對(duì)象。 通用定時(shí)器模塊啟用鑒相器模式。通過(guò)JTAG接口在線程序下載、調(diào)試。 [align=center] 圖4 設(shè)計(jì)原理圖[/align] 4.2 試驗(yàn)結(jié)果 在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)有８?jìng)€(gè)CAN總線智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)，波特率為10K，通信距離約為２km，每個(gè)CAN總線智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)根據(jù)制定的協(xié)議以大約200ms的時(shí)間間隔發(fā)送采集的數(shù)據(jù)，采集了溫度、濕度、位置等多個(gè)信號(hào)，通過(guò)軟硬件數(shù)據(jù)處理方法，大大提高了采集數(shù)據(jù)的精度，總線的負(fù)載遠(yuǎn)低于可允許的范圍。根據(jù)對(duì)上傳上位機(jī)的數(shù)據(jù)驗(yàn)證，數(shù)據(jù)可靠及時(shí)?？蓪?shí)現(xiàn)主機(jī)的遠(yuǎn)程控制，對(duì)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)及故障診斷，進(jìn)一步提高了在關(guān)鍵環(huán)境中使用的可靠性。 5 結(jié)論 基于英飛凌的CAN總線智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)外圍電路少，成本低，接口豐富，可實(shí)現(xiàn)輸入多種信號(hào)，一般無(wú)需加額外擴(kuò)展接口即可滿足工業(yè)需求。可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信，抗干擾能力強(qiáng)，在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下，仍然可以保持正常工作。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目最多可達(dá)到128，可以擴(kuò)大上位機(jī)的監(jiān)控范圍。也可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制，做到檢測(cè)和控制一體?；谟w凌的CAN總線智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)的體積小，可在很多對(duì)體積有特殊要求的環(huán)境中應(yīng)用。 參考文獻(xiàn)： [1] 鄔寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京:北京航空航天大學(xué)出版社.1996 [2] 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