王宏偉，李彬?qū)?，吳靚，代鑫，彭祥

(中地裝(重慶)地質(zhì)儀器有限公司，重慶 400033)

0 引言

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)(controller area network)的簡(jiǎn)稱，由于CAN總線的通訊方式具有高可靠性、實(shí)時(shí)性和不限節(jié)點(diǎn)的靈活性，成為當(dāng)前通訊領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，特別是在汽車領(lǐng)域，汽車控制系統(tǒng)中包含多種傳感器節(jié)點(diǎn)和控制終端，主要通過CAN總線的通訊方式實(shí)現(xiàn)。除此之外，CAN的應(yīng)用領(lǐng)域正在向各行各業(yè)拓展，如機(jī)械工業(yè)、物探工程、石油鉆探、航空航天、船舶管理、海港控制、農(nóng)業(yè)機(jī)械、智能家居、機(jī)器人、醫(yī)療儀器等等。CAN通訊的優(yōu)勢(shì)使得它已被公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。

1 關(guān)鍵技術(shù)介紹

1.1 CAN總線簡(jiǎn)介

CAN總線是兩線制，CAN_H和CAN_L，通訊介質(zhì)通常有幾種，最常見的是雙絞線，此外，由于應(yīng)用領(lǐng)域的不同，通訊介質(zhì)還有光導(dǎo)纖維和同軸單芯電纜等。在總線上可以掛載多個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)不分主從，通訊時(shí)各個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)CAN總線協(xié)議，由系統(tǒng)設(shè)置相應(yīng)參數(shù)自動(dòng)進(jìn)行仲裁和優(yōu)先級(jí)判別。通訊距離與節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)和傳輸速率有關(guān)，傳輸速率越低且節(jié)點(diǎn)數(shù)越少，傳輸距離越遠(yuǎn)。但大多數(shù)CAN總線應(yīng)用在系統(tǒng)儀器內(nèi)部，通常傳輸距離都足以保障通訊質(zhì)量的要求。

本設(shè)計(jì)是在井下探測(cè)儀器(以下簡(jiǎn)稱探管)中應(yīng)用CAN通訊技術(shù)，探管級(jí)聯(lián)總長(zhǎng)度不超過10 m，在CAN傳輸終端采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，雙線差分信號(hào)抗電磁干擾能力強(qiáng)，且根據(jù)CAN總線協(xié)議，每幀數(shù)據(jù)都有CRC校驗(yàn)和其他錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制，能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性。此外，CAN_H和CAN_L兩線應(yīng)用于級(jí)聯(lián)探管中線束較少，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便。

1.2 STM32單片機(jī)簡(jiǎn)介

STM32是意法半導(dǎo)體出品的ARM單片機(jī)，性能高、價(jià)格便宜、使用簡(jiǎn)便、程序開源、封裝體積小，具有不同容量大小和產(chǎn)品性能。開發(fā)人員可根據(jù)設(shè)計(jì)需求選擇適合的產(chǎn)品，STM32系列單片機(jī)現(xiàn)已成為時(shí)下最主流微控制器之一。

本設(shè)計(jì)中采用STM32F103CBT6作為主控芯片，該芯片基于ARM Cortex-M3內(nèi)核，含有豐富的外設(shè)TIM、CAN、SPI、I2C、UART、USB等，工作頻率最高達(dá)到72 MHz。STM32單片機(jī)內(nèi)部集成的CAN控制器是基本擴(kuò)展CAN，支持CAN協(xié)議2.0A(標(biāo)準(zhǔn)型)和2.0B(擴(kuò)展型)。作為測(cè)井儀器的主控芯片，完全能夠滿足通訊和傳輸速率等要求，性價(jià)比很高。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 選用高速CAN通訊網(wǎng)絡(luò)

本設(shè)計(jì)的通訊網(wǎng)絡(luò)遵循ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)的高速、短距、閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)，傳輸速率為500 kb/s。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都含有一個(gè)CAN控制器和一個(gè)CAN收發(fā)器，CAN控制器已集成在單片機(jī)內(nèi)部，CAN收發(fā)器與單片機(jī)直接相連，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的CAN收發(fā)器都輸出兩條線，即差分信號(hào)線CAN_H和CAN_L，為保證線束阻抗匹配，在兩條線的終端均配有一個(gè)120 Ω的電阻，該電阻能有效減少回波反射和噪聲干擾。

2.2 CAN收發(fā)器選型

STM32單片機(jī)內(nèi)部集成CAN控制器，而引腳輸出TTL電平，必須將其轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)才能掛載到總線上，因此需要選用一款合適的CAN收發(fā)器作為電平轉(zhuǎn)換芯片。

本設(shè)計(jì)選用飛思卡爾的高速CAN收發(fā)器MC33901。MC33901收發(fā)器支持最低5 kb/s傳輸速率，標(biāo)準(zhǔn)8 pin輸出，如圖1所示。不需要外部過濾器組件就能實(shí)現(xiàn)電磁兼容和防靜電性能，在各種波特率下均無出現(xiàn)嚴(yán)重的過沖現(xiàn)象。

圖1 MC33901外圍電路Fig.1 Peripheral circuit of MC33901

圖2 探管級(jí)聯(lián)示意圖Fig.2 Schematic diagram of cascading probe tube

2.3 井下探管級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)

探管級(jí)聯(lián)方式如圖2所示，公共短節(jié)探管單片機(jī)內(nèi)部集成CAN控制器，通過CAN收發(fā)器進(jìn)行通訊，其他測(cè)量參數(shù)探管以同樣的方式掛載到CAN總線。如前文所述，CAN總線節(jié)點(diǎn)在總線上均可廣播和監(jiān)聽數(shù)據(jù)，在電氣方面具有同等地位，也就是說可以不區(qū)分是否為公共短節(jié)還是其他參數(shù)測(cè)量探管。實(shí)際應(yīng)用中為了進(jìn)一步控制不同節(jié)點(diǎn)的功能，通常會(huì)假定一個(gè)主機(jī)，比如假定公共短節(jié)探管為主機(jī)，其他參數(shù)測(cè)量探管為從機(jī)，通過軟件設(shè)置數(shù)據(jù)段加密的方式可實(shí)現(xiàn)主從機(jī)功能，主機(jī)發(fā)送命令，從機(jī)根據(jù)CAN監(jiān)聽的數(shù)據(jù)段內(nèi)容做出相應(yīng)動(dòng)作。

無論主機(jī)還是從機(jī)，在發(fā)送報(bào)文時(shí)集成在單片機(jī)內(nèi)部的CAN控制器將報(bào)文由單片機(jī)引腳CAN_TX發(fā)出，信號(hào)為普通邏輯電平。然后經(jīng)過CAN收發(fā)器把這個(gè)電平轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)，通過兩線電壓差區(qū)分顯性電平還是隱性電平，即CAN收發(fā)器與單片機(jī)相連的輸入部分有區(qū)分“發(fā)送”和“接收”，此時(shí)信號(hào)被廣播到總線網(wǎng)絡(luò)上。在接收?qǐng)?bào)文時(shí)，總線上的差分信號(hào)經(jīng)由CAN收發(fā)器轉(zhuǎn)換成能被單片機(jī)識(shí)別的邏輯電平，即CAN收發(fā)器在與總線相連的部分是差分信號(hào)，不區(qū)分發(fā)送端還是接收端，只有CAN_H和CAN_L，此時(shí)信號(hào)被單片機(jī)的引腳CAN_RX接收。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

在井下探管設(shè)計(jì)中，多個(gè)探管級(jí)聯(lián)需要有多個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)，不同節(jié)點(diǎn)具有同等地位。為區(qū)分公共短節(jié)與其他測(cè)量參數(shù)探管，本設(shè)計(jì)中將公共短節(jié)所在CAN節(jié)點(diǎn)稱為主機(jī)，其他級(jí)聯(lián)的測(cè)量探管稱為從機(jī)。

3.1 協(xié)議及程序流程

本設(shè)計(jì)采用CAN 2.0B協(xié)議，設(shè)置29位ID標(biāo)識(shí)符，數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度為8字節(jié)。不同開發(fā)人員可自定義內(nèi)部協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)段進(jìn)行加密設(shè)計(jì)，以此進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間的命令傳輸。本設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)段包含控制命令、返回ID及返回?cái)?shù)據(jù)等。按照協(xié)議完成探管間的通訊任務(wù)，不同探管對(duì)數(shù)據(jù)段進(jìn)行篩選和判別，并執(zhí)行相應(yīng)程序命令，程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 程序設(shè)計(jì)流程圖Fig.3 Flowchart of program design

3.2 參數(shù)設(shè)置

CAN設(shè)置內(nèi)容比較多，每一項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置都必須仔細(xì)斟酌。CAN初始化大致分為4部分：①配置IO接口；②對(duì)CAN通訊的中斷方式配置；③CAN工作模式配置，其中包含了CAN總線協(xié)議的具體模式配置；④CAN過濾器配置。

(1)IO接口配置。配置CAN的GPIO設(shè)置，注意引腳是否為重映射。

(2)中斷方式配置。配置CAN中斷向量及優(yōu)先級(jí)，發(fā)送中斷、接收FIFO中斷和錯(cuò)誤中斷，本設(shè)計(jì)主要是接收FIFO中斷。

(3)工作模式設(shè)置。①時(shí)間觸發(fā)通訊模式；②硬件自動(dòng)離線管理；③自動(dòng)喚醒模式；④自動(dòng)重傳功能；⑤接收FIFO鎖定，即接收非鎖定，F(xiàn)IFO溢出時(shí)覆蓋；⑥發(fā)送FIFO優(yōu)先級(jí)，即按照標(biāo)識(shí)符判斷優(yōu)先級(jí)；⑦設(shè)置為正常工作模式；⑧通訊位時(shí)序配置，本設(shè)計(jì)設(shè)置比特率為500 kb/s，其中CAN_SJW設(shè)為1 tq、CAN_BS1設(shè)為3 tq、CAN_BS2設(shè)為2 tq、CAN_Prescaler設(shè)為12。CAN通訊位時(shí)序相關(guān)的配置，在各個(gè)節(jié)點(diǎn)必須設(shè)置成相同(或相似)以確保正常通信；⑨CAN單元初始化。

(4)CAN接收過濾器設(shè)置。①設(shè)置過濾器組；②設(shè)置過濾器工作模式為標(biāo)識(shí)符屏蔽模式；③設(shè)置要過濾的ID高位低位，設(shè)置每位都要過濾；④設(shè)置過濾器長(zhǎng)度；⑤設(shè)置過濾器被關(guān)聯(lián)到FIFO。

4 結(jié)語

通過STM32單片機(jī)和CAN通訊處理電路，能夠?qū)崿F(xiàn)一次采集多參數(shù)的測(cè)井方法。探管級(jí)聯(lián)組合方式靈活，方便現(xiàn)場(chǎng)安裝，且能配合上位機(jī)完成自動(dòng)識(shí)別參數(shù)類型的功能，可同時(shí)測(cè)量自然γ、井溫、三分量、磁化率、磁測(cè)斜、四電極系、流體電阻率、三側(cè)向電阻率、聲波等參數(shù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明該設(shè)計(jì)能夠保證高傳輸速率和可靠通訊，即使在深井高壓高溫環(huán)境下依然能夠保障通訊質(zhì)量。CAN通訊在測(cè)井儀器中的可靠應(yīng)用已得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，級(jí)聯(lián)組合方式能夠改善傳統(tǒng)測(cè)井方式的人力、物力消耗，可廣泛應(yīng)用于工程測(cè)井領(lǐng)域。