CAN-bus应用方案
| 1 概述 作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通讯控制方式，CAN-bus已被广泛应用到各个自动化控制系统中。例如，在汽车电子、自动控制、智能大厦、电力系统、安防监控等各领域，CAN-bus都具有不可比拟的优越性。 根据各个不同应用领域的设计特点，本文提出了几种CAN-bus应用系统的硬件方案。 2 基本CAN-bus节点 2.1 应用范围 ● 各种自动控制网络，比如楼宇自动化、仪表自动控制、数据远程传输、电机控制等 ● 可实现远距离传输（≤ 10KM），工作速率可调（1Mbps≥ 通讯速率≥ 5Kbps） ● 升级原有的RS-485网络 ● 2线式通讯 2.2 基本电路 图1 基本CAN节点原理图 2.3 电路特点 可与应用广泛的80C51系列单片机直接接口，电路简单，使用方便； 采用DC-DC模块与光电隔离器件，可抑制电磁干扰，保护系统电路不受网络影响； 2线式通讯，各总线节点需自备电源供应； 根据通讯速率调整斜率电阻R33的值，一般在16K～140K之间。 2.4 元件选型 ● CAN控制器采用PHILIPS的SJA1000，工作于BasicCAN模式或PeliCAN模式下，可直接与INTEL的80C51核MCU或MOTOROLA的MCU接口。 ● CAN收发器采用PHILIPS的P82C250/251，可以在低至5Kbps的传输速率下工作，满足远距离传输数据时的低速率要求。 ● 采用高速光耦来实现收发器与控制器之间的电气隔离，保护控制系统电路。光耦选择高速器件，推荐型号：6N137或TLP113，以满足在最高速率1Mbps下的电气响应。 ● 为了保证系统能够可靠工作，并提高抗干扰能力，电路中采用隔离型DC/DC模块向收发器电路供电。推荐采用定电压输入隔离非稳压单输出型DC/DC模块，隔离电压≥1000VDC，推荐型号： B0505S-1W或B0505LS-1W，可以向收发器电路提供≤200mA的电流；也可以选择IB0505LS-W75，可向收发器电路提供稳定、低噪声的5VDC，输出电流≤150mA，并带有输出短路保护，且引脚与B0505LS-1W完全兼容。 ● 微处理器可以选用PHILIPS的P87C51X2，6 Clock下的最高时钟频率可达30MHz，具有3个定时/计数器，双DPTR，足以满足CAN-BUS在最高速率1Mbps下的应用。 2.5 软件流程 对于图1所示的基本CAN节点，其控制软件应按模块化设计，一般由以下几个部分组成： SJA1000初始化模块 SJA1000接收数据模块 SJA1000发送任务模块 SJA1000错误处理模块 其他系统任务模块 根据所处理任务的不同，“其他系统任务模块”也有所不同。在这里，关于SJA1000的控制模块程序设计，应是系统的重点之一。各模块之间的衔接关系如下图所示：  图2 基本CAN节点软件流程 对于具有复杂功能的项目开发，建议采用RTOS（实时操作系统）作为任务调度的核心程序，以节约开发时间，提高系统的实时性。例如，可以采用KEIL C51中内嵌的实时多任务操作系统RTX51，或者采用uCOSII操作系统。其中，RTX51支持 图3 DeviceNet中的向网络供电节点功能框图 5线式通讯（信号线CAN_H、CAN_L；屏蔽线DRAIN、电源线CAN_V+、CAN_V-） 主干线/分支线结构 最多可支持64个节点 同时支持网络供电(传感器)和自供电(执行器)设备 可选数据通讯速率(125Kbps、250Kbps、500Kbps) 可调整的电源结构，大电流容量，以满足各分类应用的需要 3.4 元件选型 3.5 软件开发流程框图 ● CAN控制器采用PHILIPS的独立CAN控制器SJA1000芯片。如果仅作为小型传感器或实现简单功能电路，可以采用集成CAN控制器的PHILIPS P87C591微处理器芯片。 ● CAN收发器选用PHILIPS的高速CAN收发器TJA1040或TJA1050，具有速率高、低功耗、电磁性能优越等特点，自检错能力强，还可工作于睡眠模式。 ● 采用高速光耦来实现收发器与控制器之间的电气隔离，保护系统电路。光耦选择高速器件，推荐型号：6N137或TLP113，以满足在最高速率500Kbps下的电气响应。 ● 根据应用系统消耗电流的大小、DeviceNet网络电源标准来选择电源模块电路。第1组＋5V电源，如消耗电流≤50mA时，可采用线性稳压器，比如LM7805等；如电路消耗电流≥50mA时，采用开关电源作为电源供应部件，比如LM2575、MC34063等。第2组＋5V电源，可采用DC-DC模块实现。系统电源与网络电源之间还应该考虑采取合理的电气隔离措施。根据以上因素，整个电源模块电路可选用一体式的DC-DC模块，例如：宽压输入定压输出隔离模块WRD242405等 用户也可在输出电流满足DeviceNet协议要求的前提下自行选择DC-DC电源。为了确保该系统的安全，建议在DC/DC模块及系统的输入和输出端接TVS、共模扼流圈、极性保护，以防止雷击、浪涌、极性反接，起良好的保护效果。 ● 微处理器可以选用PHILIPS的P89C668芯片，内含64K FLASH、8K RAM，可工作于6 Clock模式，晶振频率可达30MHz，足以满足在DeviceNet最高波特率500Kbps下大量的数据传输、数据采集、DeviceNet协议解析等复杂功能的应用要求。 基于DeviceNet协议的控制软件开发，主要难点在于编写符合DeviceNet协议的程序软件。为提高开发效率，可以选择购买DeviceNet控制软件模块；这些软件模块由C语言编写，易于理解，移植方便。 需要注意：DeviceNet节点中主节点、从节点的设计模型并不相同。一般来说，DeviceNet软件开发流程如下所示：  图4 DeviceNet节点软件开发流程 4 由网络供电的DeviceNet节点 4.1 应用范围 DeviceNet中由网络供电的节点 5线通讯 高速数据通讯 无需独立输入电源 可用作为通用CAN-BUS节点 适合于传感器设备、微型执行器设备 4.2 基本电路框图  图5 DeviceNet中的由网络供电节点功能框图 4.3 元件选型 CAN控制器采用PHILIPS的SJA1000芯片。如果针对小型应用系统的设计要求，可以采用集成CAN控制器的PHILIPS P87C591微处理器芯片。 CAN收发器选用PHILIPS的高速CAN收发器TJA1040或TJA1050，具有速率高、低功耗、电磁性能优越等特点，自检错能力强，可工作于睡眠模式。 采用高速光耦来实现收发器与控制器之间的电气隔离，保护系统电路。光耦选择高速器件，推荐型号：6N137或TLP113，以满足在最高速率500Kbps下的电气响应。 采用DC-DC模块向应用系统供应电源，可有效抑制干扰，提高可靠性。由于网络电源存在电压波动大(电压波动＞±30%)、干扰信号多等缺点，因此，应该选择宽电压输入隔离（隔离电压≥1000VDC）稳压单输出型DC/DC模块给系统供电。推荐型号：金升阳的PH2405S-01（Vin：9～27VDC，Vout：5VDC，Iout ：100～200mA）；或者，根据具体应用系统内核所需功率不同，也可选用PH2405D-03（Vin：9～27VDC，Vout：5VDC，Iout ：≤500mA）。为确保该系统的安全，建议在DC/DC模块及系统的前端接TVS、共模扼流圈、极性保护，以防止雷击、浪涌、极性反接，起良好的保护效果。 微处理器可以选用PHILIPS的P87C58X2芯片，内含32K EPROM，可工作于6 Clock模式，晶振频率可达30MHz，满足DeviceNet的通讯任务编程要求。 4.4 软件开发流程框图 软件开发流程与图4相同。 5 推荐开发工具 仿真器： 采用HOOKS技术的TKS系列仿真器 等 调试工具 DP-51下载实验仪、DP-668下载实验仪 等 调试环境： Keil C51、TKStudio 等 实时多任务操作系统： Keil RTX51、uCOSII 等 CAN分析工具： ZLGCAN接口卡、ZLGCANTEST通用测试软件 分析软件： CANalyst 分析软件   附录C： 建议采用16MHz作为SJA1000的工作晶振。用户也可以根据SJA1000器件配套的参考资料自行计算合适的寄存器BTR0、BTR1设置值。 P87C591的CAN通讯波特率采用同SJA1000一致的计算方法。 参考资料： 《SJA1000独立的CAN控制器》 《SJA1000独立的CAN控制器应用指南》 《确定SJA1000 CAN控制器的位定时参数》 |
