丁國君,王立德,申 萍,王蘇敬

(北京交通大學 電氣工程學院,北京100044)

目前用于機車車輛上的常用總線是 TCN、Lon-Works、ARENET和控制器局域網(wǎng)(CAN,Controller Area Network)總線等[1]。與 TCN 、ARENET、LonWorks總線相比,CAN總線響應時間短,系統(tǒng)工作和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃愿?系統(tǒng)擴充靈活,性價比高。CAN總線強調了實時性,又具有極高的可靠性和獨特的設計,價格低廉,發(fā)展前景廣闊。因此采用CAN總線作為電力機車分布式車載狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的網(wǎng)絡總線[2]。

CAN總線是一種有效支持分布式監(jiān)控或實時控制的串行通信現(xiàn)場總線網(wǎng)絡[1]。作為ISO11898國際標準的現(xiàn)場總線技術,以其自身的優(yōu)勢不斷得到推廣和應用,CAN最早出現(xiàn)在20世紀80年代末的汽車行業(yè)中,由德國Bosch公司提出,CAN可提供高達1Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率,這使實時控制和分布式監(jiān)控變得非常容易,外硬件的錯誤檢定特性也增強了CAN的抗電磁干擾能力。針對開發(fā)的分布式車載狀態(tài)監(jiān)測檢測與診斷系統(tǒng)(如圖1所示),制定了標準CAN總線應用層協(xié)議。實際運行結果表明,設計開發(fā)的CAN通信網(wǎng)絡具有較高的可靠性、實時性和抗干擾能力。

圖1 機車狀態(tài)監(jiān)測診斷系統(tǒng)框圖

1 硬件設計

目前流行的CAN總線器件有2大類[3]:一類是獨立的CAN控制器,如SJA1000 CAN控制器,另一類是帶有片上CAN的微控制器,如DSP、ARM 和C8051F系列等。由于C8051F045單片機內部集成CAN控制器,符合Bosch規(guī)范2.0B(全功能CAN),且C805lF045的集成度高,只需少量外圍電路便可組成CAN網(wǎng)絡通信系統(tǒng),可提高系統(tǒng)的整體可靠性。另外,C8051F045內核和普通51系列兼容,指令簡單易學,可縮短系統(tǒng)研發(fā)周期,故系統(tǒng)采用C8051F045作為微控制器。系統(tǒng)硬件由微處理器和隔離的CAN收發(fā)器以及與網(wǎng)絡節(jié)點通信的SPI或 UART串行接口3部分組成。CAN收發(fā)器建立CAN控制器和物理總線之間的連接,控制邏輯電平信號在CAN控制器與物理總線之間的傳輸,CAN控制器執(zhí)行CAN協(xié)議,用于信息緩沖和濾波。SPI或UART串行總線接口實現(xiàn)網(wǎng)絡節(jié)點與CAN總線內部的數(shù)據(jù)傳輸功能。

1.1 C8051F045和CAN收發(fā)器CTM1050

C805lF045單片機是Silicon Laboratories公司推出的完全集成的混合信號SOPC型MCU,具有以下特點:①高速、流水線結構的8051兼容的CIP-51內核(可達25MIPS);②控制器局域網(wǎng)(CAN2.0B)控制器,具有32個消息對象,每個消息對象有其自己的標識掩碼;③全速、非侵入式的在系統(tǒng)調試接口(片內);④64kB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器和4 352(4k+256)字節(jié)的片內RAM;⑤可尋址64kB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口;⑥硬件實現(xiàn)的SPI和兩個UART串行接口。

對于CAN收發(fā)器,選用CTM1050收發(fā)模塊[4],這是一款帶隔離的高速CAN收發(fā)器芯片,該芯片內部集成了必須的電源隔離、電氣隔離和CAN收發(fā)器件,并且面積不到3 cm2,可以將CAN控制器的邏輯電平轉換為CAN總線的差分電平,并且具有DC2 500 V的隔離功能和ESD保護作用。該模塊TXD、RXD引腳兼容+3.3 V、+5 V的CAN控制器.不需外接其他元器件.直接將+3.3 V或+5 V的CAN控制器發(fā)送、接收引腳與CTM1050的發(fā)送、接收引腳相連。由于采用隔離CAN收發(fā)器模塊,實現(xiàn)CAN總線上各節(jié)點電氣、電源間完全隔離和獨立,提高了節(jié)點的穩(wěn)定性和安全性。CAN總線通信系統(tǒng)中CAN節(jié)點硬件結構框圖如圖2所示。

圖2 CAN節(jié)點硬件結構框圖

1.3 CAN總線通信工作原理

C8051F045內部集成的CAN控制器符合Bosch規(guī)范2.0B,CAN控制器包含一個CAN核、消息RAM(獨立于CIP-51的RAM)、消息處理狀態(tài)機和控制寄存器。CAN內核由CAN協(xié)議控制器和負責消息收發(fā)的串行/并行轉換RX/TX移位寄存器組成,消息RAM用于存儲消息對象和每個對象的仲裁掩碼。CAN處理器有32個可配置為發(fā)送和接收的消息對象,并且每一個消息對象都有自己的識別掩碼,所有的數(shù)據(jù)傳輸和接收濾波都是由CAN控制器完成的,而不是由CIP-51來完成,大大減小了CPU的負擔。

CAN內部寄存器中存儲了所有CAN的控制和配置信息,其中包括控制寄存器、狀態(tài)寄存器、設置波特率的位定時寄存器,測試寄存器、錯誤計數(shù)器和消息接口寄存器。另外,CIP51的SFR并不能直接訪問CAN內部寄存器的所有單元,其配置CAN、消息對象、讀取CAN狀態(tài)以及獲取接收數(shù)據(jù)、傳遞發(fā)送數(shù)據(jù)都由SFR中的 6個特殊寄存器來完成,其中CANOCN,CANOTST和CANOSTA 3個寄存器可直接獲取或修改CAN控制器中對應的寄存器,而CANODATH,CANOATL,CANOADR 3個寄存器主要用來訪問修改其他不能直接訪問的CAN內部寄存器,其中CANOADR用來指出要訪問寄存器的地址,CAODATH,CANODAT L這時就相當于要訪問的16位寄存器的高低字節(jié)的映射寄存器,而對他們的讀寫則相當于所指向寄存器的讀寫。

2 CAN應用層協(xié)議的制定

到目前為止,國際上已經(jīng)先后出現(xiàn) DeviceNet、CAL、CANopen、J1939和SDS等基于 CAN協(xié)議標準的應用子協(xié)議。但基于CAN總線的商業(yè)應用層協(xié)議主要有DeviceNet和CANopen兩種[5]。但是由于這兩種協(xié)議是基于通用目的而開發(fā)的,結構復雜而且協(xié)議軟件的價格不菲,因此并非完全適合分布式車載狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)。針對上述原因,結合CAN總線和列車通信網(wǎng)絡系統(tǒng)的結構特點,在吸收以上兩種高層協(xié)議的基礎上,結合IEC61375列車通信網(wǎng)絡標準提出了一種可靠實用并且適合于分布式車載狀態(tài)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)的CAN總線應用層協(xié)議[6]。CAN應用協(xié)議最基本的要求就是對標識符ID和數(shù)據(jù)信息代碼的合理編寫,在設計的同時還要考慮到數(shù)據(jù)的相對重要程度(優(yōu)先權)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求(時序)、數(shù)據(jù)相對于CAN總線在汽車應用而言,考慮到電力機車自身的特殊性,設計的CAN總線應用層協(xié)議如表1所示。

表1 面向機車車輛的CAN應用層協(xié)議

報文優(yōu)先級(3位)將所有網(wǎng)絡數(shù)據(jù)分為8個等級的優(yōu)先權.報文優(yōu)先級的設計是以報文重要性、報文傳輸頻率、報文數(shù)據(jù)長度和報文具體的實時性要求為參考的。分段編號(3位)用于對數(shù)據(jù)分段進行編號,最大支持64 B的數(shù)據(jù)長度,如果需要傳輸大于64 B的數(shù)據(jù),可以利用應用程序來定義更高一層的用戶層協(xié)議來予以實現(xiàn)。資源號(2位)用于指示所要操作的節(jié)點設備內部單元,根據(jù)報文資源節(jié)點地址號對設備內部的單元進行操作.目的MAC地址(8位)和源MAC地址(8位)用來指示接收數(shù)據(jù)的目的節(jié)點地址和發(fā)送數(shù)據(jù)的源節(jié)點地址,支持同一網(wǎng)絡系統(tǒng)中掛接的最大節(jié)點數(shù)理論為256個資源節(jié)點號。功能碼(4位)用于指示報文所需要實現(xiàn)的功能。結束標記(1位)是用來標記該數(shù)據(jù)包傳輸過程的結束。

數(shù)據(jù)長度(4位)是標識傳輸數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù),支持0-8個字節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸,大于8個字節(jié)時結合分段編號分幀傳輸。

CAN總線應用層協(xié)議規(guī)定了標準設備在執(zhí)行網(wǎng)絡功能時的基本過程,在CAN網(wǎng)絡中,各節(jié)點功能大小不同,按照CAN總線應用層協(xié)議對報文處理的要求,網(wǎng)絡中的標準設備的軟件設計流程圖如圖3所示。

圖3 標準設備軟件設計流程圖

3 測試結果

網(wǎng)絡測試采用如圖4所示的CAN總線網(wǎng)絡組網(wǎng)測試方案。首先進行是SPI(UART)-CAN卡的傳輸測試(以SPI-CAN卡為例),試驗用于檢驗是否能夠把網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)據(jù)通過SPI經(jīng)CAN網(wǎng)卡轉換并傳輸?shù)紺AN總線上,通過多通道示波器探測SPI總線的SCK、MOSI和MISO信號,測得波形如圖5所示,其中波形1為SPI時鐘信號SCK,波形2為SPI的MOSI信號。SCK波特率為467 kb/s,CAN網(wǎng)卡能夠正常收發(fā)網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡節(jié)點的SPI總線在時鐘下降沿發(fā)送數(shù)據(jù),上升沿接收數(shù)據(jù),符合設計要求。

其次測試CAN總線收發(fā)數(shù)據(jù),在測試CAN總線數(shù)據(jù)傳輸過程中,將USB-CAN模塊與故障檢測記錄儀連接,觀察檢測記錄儀發(fā)出的數(shù)據(jù)查詢幀信息。如圖6所示為上位機截獲的檢測記錄終端查詢幀,可以看出檢測記錄終端的查詢幀在CAN網(wǎng)絡中成功的傳輸,沒有出現(xiàn)丟幀或者幀錯誤的現(xiàn)象。

圖4 CAN總線網(wǎng)絡測試示意圖

圖5 SPI-CAN多字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸波形圖

圖6 CAN總線數(shù)據(jù)傳輸測試

該CAN總線網(wǎng)絡通信系統(tǒng)經(jīng)過試驗室的測試,能夠完成數(shù)據(jù)的點對點主從通訊、組播廣播通訊、設備輪詢/應答、時間觸發(fā)傳輸、事件觸發(fā)傳輸、故障觸發(fā)鎖存以及故障信息傳輸?shù)裙δ堋?/p>

4 結束語

設計的基于C8051F045單片機的CAN總線智能節(jié)點以及配套開發(fā)的應用層協(xié)議具有集成度高、性能穩(wěn)定、實時性好等特點,在通信波特率設置為250 kb/s時通信順暢、可靠。硬件和軟件設計方案均已通過測試,并成功應用于昆明鐵路局SS34000型電力機車的分布式車載狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的實際項目中,已無故障運行兩年。運行結果證明了開發(fā)的CAN總線具有較高可靠性、實時性和抗干擾性。而且后續(xù)節(jié)點在開發(fā)過程中遵循此協(xié)議,可使產(chǎn)品開發(fā)標準化,更有效保障產(chǎn)品的一致性,增強CAN總線的可靠性和穩(wěn)定性。

[1]路向陽.我國列車通信網(wǎng)絡的發(fā)展和應用[J].機車電傳動,2001,(6):1-5.

[2]馬釗,嚴祥,丁國君,等.基于 ARM9的車載智能顯示終端設計與應用[J].鐵道機車車輛,2010,(2):72-75.

[3]饒運濤.現(xiàn)場總線CAN原理與應用技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2003.

[4]楊志國,孫斌.基于CAN總線的橡膠生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)[J].儀器儀表學報,2008,(8):1 686-1 689.

[5]張侃諭.方正.適合于溫室控制系統(tǒng)的CAN總線應用層協(xié)議開發(fā)[J].工業(yè)儀表與自動化裝置,2007,(1):18-21.

[6]王蘇敬,王立德 ,申萍,等.列車用 CAN總線應用層協(xié)議研究與實現(xiàn)[J].北京交通大學學報(自然科學版),2008,(5):102-106.