CAN总线与以太网接口技术研究Word文件下载.docx

1、2.5.2 发送缓冲器和接收缓冲器 222.6 SJA1000的验收滤波器原理 232.6.1 单滤波 232.6.2 双滤波 242.7 CAN控制器中位定时参数设置的一般方法 242.8 CAN通信协议的制定 252.9 CAN节点软件系统的设计 262.9.1 CAN节点的软件结构 262.9.2 建立CAN通信的步骤和流程 262.9.3 SJA1000初始化程序的设计方法 272.9.4 读写SJA1000寄存器 282.9.5 SJA1000数据接收程序设计方法 292.9.6 SJA1000数据发送程序设计方法 30第三章 以太网总线智能节点设计 323.1 以太网控制器RTL8

2、019AS功能简介 323.2 以太网控制器RTL8019AS的基本结构 323.2.1 RTL8019AS内部结构说明 343.2.2 RTL8019AS引脚图及部分管脚设置 343.3 RTL8019AS寄存器 373.3.1 RTL8019AS寄存器表 373.3.2 寄存器功能说明 383.4 以太网节点硬件系统的设计 433.4.1 RTL8019AS与单片机的连接 433.4.2 地址锁存器74LS373 453.4.3 以太网接口 463.5 以太网节点软件系统的设计 463.5.1 复位RTL8019AS 463.5.2 RTL8019AS寄存器的读写 473.5.3 RTL8

3、019AS RAM的操作 473.5.4 RTL8019AS的初始化 483.5.5 RTL8019AS的数据接收程序设计方法 493.5.6 RTL8019AS的数据发送程序设计方法 51第四章 结 论 524.1论文总结 524.2 感想 53致 谢 54参 考 文 献 55附录A：硬件设计原理图与PCB图 56附录B：软件程序清单 57第一章 绪 论1.1 引言随着网络技术和信息技术的迅速发展，自动化领域产生了深刻的变革，并逐渐形成了网络化、全开放、全分布的自动控制体系结构。而现场总线正是这场深刻变革中的重要技术。现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信

4、网络。它的关键是把网络化、信息化的概念彻底引入到控制领域和工厂的控制中。构建完整的控制网络和信息网络，不仅可实现高度灵活、高可靠性的分散控制，而且可以实现全厂，甚至全世界范围内的信息共享，优化企业生产过程，实现企业的量化管理，提高企业的生产效率。1.2 选题的背景与意义当今的以太网技术虽然有其优势，但要直接用于工业控制，仍然面临一些未解决的问题。同时，由于现场总线具有不可代替的优点，与以太网相比，更适合用于控制网络。因此，工业企业中，一般把现场总线用于车间、生产现场等生产第一线，作为控制网络，而以太网主要应用于企业管理层和生产监控层。由于不同现场总线之间没有统一的标准、难以接入因特网等缺点，使

5、得目前大部分企业的控制网络和信息网络相互独立，甚至不同的控制网络之间相互独立，不同网络的互联仍然是一个急需解决的问题。这就为本课题的研究提供了机遇，也是本课题研究的意义所在。1.3研究现状现代化的发展使人们对生产过程的性能控制提出了更高的要求，这使得企业管理者、工程师需要获取更多的来自现场的信息，从而实现从现场控制到监控、管理、决策、商务等各个层次的信息交换与集成，以提高生产效率和市场竞争力。这种需求推动了现场总线技术的诞生，呼唤着以现场总线为纽带,以分散的智能测控设备为节点的网络系统与控制系统的出现，并对传统模拟仪表控制系统、非开放性的DCS系统发起了革命性的挑战。1.3.1 现场总线控制系

6、统的优点系统的开放性:开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可互连为系统而实现一致通信与信息交换。在FCS中，用户可以根据需要,将遵从相同协议的不同厂家的产品集成到一个规模随意的系统中,通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统,从根本上打破了DCS系统的封闭性。互可操作性与互用性:互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传递与沟通;互用性则指不同生产厂家的性能类似的设备之间可以实现相互替换。现场设备的智能化与功能自治性:现场总线系统将传感测量、补偿计算与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。系统结构的高度分散性:现场总线己

7、构成一种新的全分散性控制系统的体系结构，从根本上改变了现有的DCS系统体系，简化了系统结构,提高了可靠性。对现场环境的适应性：工作在生产现场，作为工厂网络底层的现场总线,是专为现场环境设计的,可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等,具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信,并可满足安全防爆要求。节省硬件数量与投资：现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行传感测量、补偿计算与控制等功能,故可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了硬件投资，并减少了控制室

8、的占地面积。节省安装、维护费用：现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆上可以挂接多台设备,故可节省大量的电缆、端子、槽盒、桥架，而连线设计与接头校对的工作量也可大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增加新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，即节省了投资，也减少了设计安装的工作量。由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行、诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护时间，减少了维护的工作量。提高了系统的准确性与可靠性：现场总线设备的智能化和数字化，从根本上提高了测量与控制的精度。同时，由于系统的结

9、构简化，设备与连线的减少，现场仪表内部功能的加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的可靠性。1.3.2 CAN总线简介CAN（Controller Area Network,控制器局域网）是一种高性能、高可靠性、易开发且低成本的现场总线，在全球得到广泛应用，也是最早在我国应用的现场总线之一。CAN是20世纪80年代（1983）德国Bosch（博世）公司为解决众多的测量控制部件之间的数据交换问题而开发的一种串行数据通信总线。最初，CAN作为汽车的监测、控制系统而设计，在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如：发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入

10、CAN控制装置。现在，由于CAN总线自身的特点，其应用领域已由汽车行业扩展到过程工业、机械工业、机器人和楼宇自动化等领域。1.4 本文的结构本文以以太网和CAN总线的通讯接口的研发工程项目作为应用背景，对以太网和CAN总线的通讯技术进行了研究。全文共分为四章，各章的主要内容如下：第一章扼要地介绍了现场总线以及CAN总线的概念、特点和相关研究背景；第二章研究了CAN智能节点的硬件电路和软件程序设计；第三章研究了以太网智能节点的硬件电路和软件程序设计；第四章总结了全文的研究工作，给出了存在的问题和进一步研究的方向。第二章 CAN总线智能节点设计2.1 CAN控制器SJA1000功能简介SJA100

11、0是一种独立CAN控制器，它是PHILIPS公司的PCA82C20OCAN控制器的替代产品。SJA1000具有BasicCAN和PeliCAN两种工作方式，PeliCAN工作方式支持具有很多新特性的CAN2.0B协议，SJA1000在软件和引脚上都是与它的前一款PCA82C200独立CAN控制器兼容的，并在此基础上增加了很多新的功能。为了实现软件兼容，SJA1000采用了两种工作方式：BasicCAN方式（PCA82C200兼容方式），PeliCAN方式（扩展特性方式）。工作方式通过时钟分频寄存器中的CAN方式位来选择，上电复位默认工作方式是BasicCAN方式。2.2 CAN控制器SJA10

12、00的基本结构SJA1000的内部功能框图如图2.1所示，其引脚描述如表2.1所列。 图2.1 SJA1000内部结构表2.1 SJA1000引脚描述引脚名称引脚号功能AD7-AD02，1，28-23地址/数据总线ALE/AS3ALE输入信号（Intel模式），AS输入信号（Motorola模式）4片选输入5来自CPU的信号（Intel模式）或使能信号（Motorola模式）6信号CLKOUT7SJA1000产生的时钟输出信号VSS18逻辑电路地XTAL19外部晶振输入XTAL210外部晶振输出MODE11模式选择输入：等于1，选择Intel模式；等于0，选择Motorola模式VDD312输

13、出驱动器的5V电源TX013连接到物理总线TX114VSS315输出驱动的地16中断输出17复位输入；将引脚通过电容接VSS，通过电阻接VDD，可实现上电复位（C=1uF；R=50k）VDD218输入比较器的5V电源RX0，RX119，20VSS221输入比较器地VDD122逻辑电路5V电源注：如果使用无源晶振，则XTAL1和XTAL2引脚必须通过15pF的电容连到VSS1。2.2.1 SJA1000内部功能模块说明1.接口管理逻辑：解释来自CPU的命令，控制CAN寄存器的寻址，向主微控制器提供中断报文和状态报文。2.发送缓存器：发送缓存器是CPU和位流处理器之间的接口，能够存储发送到CAN总

14、线上的完整报文。发送缓存器长13字节，由CPU写入，位流处理器读出。3.接收缓存器：接收缓存器是接收过滤器我CPU之间的接口，用于存储从CAN总线上接收和采用的报文。接收缓存器作为接收FIFO的一个窗口，可被CPU访问。在此FIFO的支持下，CPU可以在处理报文的同时接受其他报文。4.接收过滤器：接收过滤器将接收到的标示符和接收过滤寄存器的内容进行比较，以决定是否接收该报文。如果比较结果为真，则报文完整的存入接收缓存器中。5.位流处理器：位流处理器是一个序列发生器，控制发送缓存器、接收缓存器和CAN总线之间的数据流。它还完成CAN总线上的错误检测、仲裁、填充和错误处理的功能。6.位定时逻辑：位

15、定时逻辑监视串行的CAN总线和处理与总线有关的位定时。它同步于帧起始的从隐性到显性电平的跳变（硬同步），并且在接收报文的过程中进行重同步（软同步）。位定时逻辑还提供可编程的时间段用于补偿传播延时和相位变化，它还定义采样点和一位时间内的采用次数。7.错误管理逻辑：错误管理逻辑负责传送层模块的错误界定，接收来自位流处理器的出错报告，并通知位流处理器和接口管理逻辑当前的出错状态。2.2.2 SJA1000引脚图和工作模式1.SJA1000引脚见图2.2。实物图见图2.3。图2.2 SJA1000引脚图 图2.3 SJA1000实物图2.SJA1000的工作模式SJA1000有两种寄存器访问模式，即：

16、复位模式和工作模式。不同模式下寄存器的访问时不同的。工作模式通过又分为BasicCAN模式和PeliCAN模式，通过时钟分频寄存器中的CAN模式位来选择。PeliCAN模式支持CAN2.0B协议规定的所有功能，SJA1000复位后，默认的模式是BasicCAN模式。以后我们在进行SJA1000的软件编程时使用的是BasicCAN模式。2.3 SJA1000的寄存器2.3.1 寄存器表SJA1000对于微控制器而言，表现为内存映射的I/O设备。微控制器可以像操作外部RAM一样操作SJA1000片内的寄存器。SJA1000的地址域由控制段和报文缓存器组成（见表2.5）。控制段在初试化载入期间被设置

17、，用于配置通信参数，同时微控制器通过这个段来控制CAN总线上的通信。微控制器和SJA1000之间的状态、控制和命令信号的交换都在控制段中完成。在初始化后，接收码寄存器、屏蔽码寄存器、总线定时寄存器0、总线定时寄存器1以及输出控制寄存器的内容不应再发生改变，因此这些寄存器只有在复位请求位（CR.0）被置1时，才可访问。一个报文在发送之前必须写入发送缓存器；反之，在成功接收一个报文后，微控制器从接收缓存器读取报文并释放此部分缓存，以备后用。当硬件复位成功或微控制器脱离总线状态时，SJA1000会自动进入复位模式。通过将控制寄存器的复位请求位置0，SJA1000讲进入工作模式。BasicCAN模式下

18、的SJA1000内部寄存器地址分配见表2.2。表2.2 BasicCAN模式下的SJA1000内部寄存器地址分配偏移地址名称工作模式复位模式读写控制段控制1命令2状态中断接收码接收屏蔽码总线定时0总线定时1输出控制测试发送缓冲器ID（10-3）ID（10-3） ID（2-0）RTR和数据长度字节1字节2字节3字节4字节5字节6字节719字节820接收232425262728293031时钟分频寄存器2.3.2 BasicCAN模式下的寄存器说明1.控制寄存器CR，地址：0，其各位功能如表2.3所示。表2.3 控制寄存器各位说明位符号名称值CR.7保留CR.6CR.5CR.4OIE溢出中断使能如

19、果SR.1置位，SJA1000会产生CPU可识别的硬件中断SJA1000不会产生溢出中断CR.3EIE出错中断使能如果出错状态SR.6或总线状态SR.7改变，SJA1000产生硬件中断SJA1000不会产生错误中断CR.2TIE发送中断使能当报文被成功发送或发送缓冲器又可访问时，SJA1000会产生中断SJA1000不会产生发送中断CR.1RIE接收中断使能报文被无措接收时，SJA1000会产生CPU可识别的中断SJA1000不会产生接收中断CR.0RR复位请求SJA1000终止当前正在发送/接收的报文，进入复位模式SJA1000回到工作模式2.命令寄存器CMR，地址：1，其各位功能如表2.4

20、所示。表2.4 命令寄存器各位说明CMR.7CMR.6CMR.5CMR.4GTS睡眠如果没有未处理的CAN中断和总线活动，SJA1000进入睡眠模式SJA1000从睡眠状态唤醒，正常工作CMR.3CDO清除数据溢出清除数据溢出状态位（SR.1）无动作CMR.2RRB释放接收缓冲器释放RXFIFO报文存储空间中的接收缓冲器空间CMR.1AT终止发送如果一个发送请求尚未被处理，则被取消CMR.0TR发送请求报文被发送3.状态寄存器SR，地址：2，其各位功能如表2.5所示。表2.5 状态寄存器各位说明SR.7BS总线状态脱离总线在线SR.6ES出错状态出错无错SR.5TS发送状态正在发送报文空闲SR

21、.4RS接收状态正在接收报文SR.3TCS发送完成状态完成。最近一次发送请求被成功处理未完成。当前发送请求未处理完成SR.2TBS发送缓冲器状态释放。CPU可以向发送缓冲器写入报文CPU不能访问发送缓冲器SR.1DOS数据溢出状态溢出。报文因RXFIFO中没有足够的空间而丢失正常SR.0RBS接收缓冲器状态在RXFIFO中至少有一条完整报文无报文4.中断寄存器IR，地址：3，其各位功能如表2.6所示。当中断寄存器的一位或多位被置位时，引脚就被激活了。寄存器被微控制器读过之后，所以位自动复位，即引脚上的电平抬高，中断寄存器是只读存储器。表2.6 中断寄存器各位说明IR.7IR.6IR.5IR.4WUI唤醒中断退出睡眠模式时此位被置1