6本科毕业设计论文.docx
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6本科毕业设计论文
ANYANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY
本科毕业论文
小型CAN网络硬件电路设计
HardwareCircuitDesignofaSmallCANNetwork
系（院）名称：
计算机科学与信息工程学院
专业班级：
2012届网络工程（专升本）
学生姓名：
张龙超
学生学号：
201003050014
指导教师姓名：
魏胜利
指导教师职称：
讲师
2012年5月
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得安阳工学院及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解安阳工学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
小型CAN网络硬件电路设计
摘要：
CAN（ControllerAreaNetwork,控制器局域网）总线是现场总线的一种，最初应用于汽车的控制系统中。
CAN现场总线以其高性能、高可靠性及其独特的设计越来越受到人们的重视。
现在，由于CAN总线自身的特点，其应用领域已由汽车行业的扩展到自动控制、楼宇自动化、机器人等各个领域。
本设计根据题目要求，决定设计由一个主机发射、三个从机接收的共计四个网络设备的节点，然后搭建一发三收网络通信线路，以实现一发三收网络通信。
每个网络设备节点主要由单片机、CAN控制器SJA1000、CAN收发器PCA82C250以及外围电路组成。
系统上电后，主机设备中的单片机将数据传送给CAN控制器SJAl000，SJA1000再将要发送的数据通过CAN收发器PCA82C250输出至CAN总线上。
接收时，从机设备首先通过滤波器选择总线上的相关信息的选项，再判断是否允许接收。
以此实现CAN总线网络节点硬件电路设计，达到题目要求。
本文从课题的研究背景、CAN总线通信协议、CAN网络设备以及CAN总线各个设备之间的通信等方面对CAN总线技术进行了详细阐述，对CAN总线的硬件电路设计及其注意事项进行了详尽介绍，并且针对系统设计过程中可能出现的问题进行了一定的分析。
关键词：
SJA1000；CAN总线；硬件电路设计
HardwareCircuitDesignofaSmallCANNetwork
Abstract:
CAN（ControllerAreaNetwork）busisoneofthefieldbus,originallyappliedtothecar'scontrolsystem.Withitshighperformance,highreliabilityanduniquedesignthatmoreandmorepeoplepayattentionto.Now,withCANbusowncharacteristics,itsfieldofapplicationhasbeenextendedtotheautoindustryautomation,buildingautomationandroboticsfields.
Thisdesignbasistopicrequest,decideddesignsamainenginelaunch,threefrommachinethereceivetotalfournetworkequipmentnode,buildsoneroundthreetoreceivethenetworkcommunicationlink,realizesoneroundthreetoreceivethenetworkcorrespondence.Eachnetworkequipmentnodemainlybythemonolithicintegratedcircuit,CANcontrollerSJA1000,CANtransceiverPCA82C250aswellastheperipheryelectriccircuitiscomposed.Onafterthenetworksystemtheelectricity,inthemainengineequipmentmonolithicintegratedcircuitthedatatransferthedatawhichisgoingtotransmitagainforCANcontrollerSJAl000,SJA1000throughCANthetransceiverPCA82C250outputtotheCANmainlineon.Whenreceive,frommachinetheequipmentfirstthroughthefilterchoicemainlineonrelatedinformationoption,judgeswhetherpermitsthereceiving.ThusrealizestheCANmainlinenodehardwarecircuitdesign,meetsthetopicrequirements.
Studybackgroundfromthesubjectofthisarticle,CAN-buscommunicationprotocol,CANnetworkdeviceandCANbuscommunicationbetweendevices,andsoonCANbustechnologyindetail.ThehardwarecircuitdesignofCANbusandconsiderationsaredescribedindetail.Thataimedatsystemdesignprocessanalysisofsomeoftheissuesthatmayarise.
Keywords:
SJA1000;CANBus;HardwareCircuitDesign
引言
CAN总线是近年来非常流行的几种现场总线之一。
CAN总线主要是一种多主方式的串行总线，可以组建主从或对等式的总线通信系统；具有非破坏性总线仲裁技术，让优先级高的信息得到更加快速的处理；具有非常强大的错误检测机制，几乎可以检测到总线上的任何错误；采用短帧结构、位填充和CRC校验等措施，使传输具有高可靠性。
这些优点使CAN总线在众多工业领域，尤其是汽车、航天等产业中得到了广泛的推广和应用。
CAN总线与其他现场总线相比具有突出的可靠性、实时性和灵活性。
CAN总线在通信能力的高可靠和易用性、传输距离远、成本低等方面有着明显的优势，成为业界最有前途的现场总线之一。
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机械工业、机器人和楼宇自动化等领域。
CAN技术和产业化在中国一定会拥有更加广阔的市场前景。
本课题的主要内容是通过学习CAN总线的知识，掌握CAN总线的通讯原理和组网技术，利用CAN总线硬件电路设计的方法，设计CAN网络节点设备，再利用CAN网络节点设备组建一个简单的CAN硬件电路网络系统，烧写合适的运行程序使系统中设备可以正常通信，并且在计算机上通过测试软件能够显示收到的数据。
该系统各个节点设备互联成一个网络，设备间能正常的进行简单的数据接收或发送，各个设备拥有显示装置以便观测是否正常进行接收或发送，从而实现小型CAN网络硬件电路的设计。
本课题研究的目的和意义在于通过了解CAN总线的发展，学习并熟悉CAN总线知识，设计CAN总线网络电路以达到对CAN总线网络知识的深入理解。
培养和提高个人科研能力，了解当前的最前沿技术的发展趋势，为成为一名合格的社会技术人才打下基础。
第1章绪论
CAN（ControllerAreaNetwork,控制器局域网）是一种高性能、高可靠、易开发且低成本的现场总线，也是最早在我国应用的现场总线之一。
CAN总线在通信能力的高可靠和易用性、传输距离远、成本低等方面有着明显的优势，成为业界最有前途的现场总线之一。
1.1本课题研究的背景
现场总线（Fieldbus）是用于控制自动化、楼宇自动化、电气自动化等领域的现场智能设备互联通信网络。
现场总线具有成本低廉、可利用现有的数字化和网络技术的新成果对系统进行改造的特点，顺应了当今时代数字化、模块化、网络化的发展方向。
人们针对其他控制系统的缺点，在其他控制系统的基础上开发一种适用于工业环境的网络结构和网络协议，并实现传感器和控制器的通信，这就是现场总线。
这是一项以智能传感、计算机、控制等技术为主要内容的综合技术。
CAN总线是现场总线的一种，是信息化带动工业化和工业化推动信息化的发展的实用技术之一，在我国的发展只是近些年的事。
当计算机网络技术，尤其是互联网技术得到广泛的应用后，人们对企业生产过程的控制提出了更高的要求。
企业和外界信息的沟通的范围不断的扩大，这就需要把大量的现场信息送到控制中心以便人们更好地实时观测、控制、处理相关的数据，以满足企业的生产要求。
CAN总线的种种优点适应了当代企业生产的要求，成为工业控制系统的首选。
本课题在充分了解了现场总线的优点后认为对于未来工业控制技术的发展，我们很有必要对CAN总线进行深入的学习和探究。
1.2现场总线相关文献概述
现场总线（Fieldbus）是指开放式、数字化、标准化、能够相互操作、双向传输、连接智能仪器和控制系统的通信网络。
它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场总线及控制设备之间及其更高控制管理层次之间的联系。
当今现场总线技术一直是国际上各大公司激烈竞争的领域，潜在着巨大的商机。
由于现场总线技术不断创新，和其他系统相比，它是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，是信息化带动工业化和工业化推动信息化的实用技术，是能应用于各种计算机控制领域的工业总线。
目前现场总线网络互连都遵守OSI参考模型，并且以计算机、微电子、网络通信技术为基础，因此它正从根本上改变控制系统的理念和方法，将大大推动工业控制领域发展。
现场总线技术是当代工业数字通信的前沿技术，也是计算机技术、网络技术、通信技术、自动化技术的集成。
它是工业数字时代的先驱，它的出现和发展正在引起工业控制领域的一场革命，它不仅仅是最底层的控制系统，而且还是建立于整个工业体系的通信系统。
由于其巨大的优势，现场总线被认为是工业控制发展的必然趋势。
现场总线的种类很多，例如RS-232总线、RS-485总线、CAN现场总线等等。
较之目前RS-232和RS-485的分布式控制系统而言，基于CAN总线的分布式控制系统具有明显的优越性：
CAN控制器工作于多主方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先权（取决于报文标识符），采用无损结构的逐位仲裁方式竞争向总线发送数据，且CAN协议废除了站地址编码，取而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据。
这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和系统的灵活性。
而利用RS-232和RS-485只能构成主从式结构系统，通信方式也只能以主站轮询的方式进行，系统的实时性、可靠性较差。
在目前国际上现场总线群雄并起的局面下,用户应从实际应用工程特点出发去选择。
CAN现场总线在风险分散、控制层开放、成本下降等各方面的优越性日益突显，因此，本课题主要学习和研究CAN现场总线。
1.3CAN总线概述及其发展趋势
1.3.1CAN总线相关知识概述
CAN是20世纪80年代（1983）德国Bosch（博世）公司为解决汽车中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。
CAN是ISO国际标准化的串行通信协议。
在当前的汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。
由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。
为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，1986年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN通信协议。
此后，CAN通过ISO11898及ISO11519进行了标准化，现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。
1.3.2CAN总线的发展趋势
为了促进CAN以及CAN协议的发展，1992年在欧洲成立了CiA（CANinAutomation）。
在CiA的努力推广下，CAN技术在汽车电子控制系统、电梯控制系统、医疗器械、纺织机械、船舶运输等方面均得到了广泛的应用。
现已有400多家公司加入了CiA，CiA已经成为全球应用CAN技术的权威。
CAN总线在组网和通信功能上的优点以及它的高性能价格比决定了它在许多领域都有广阔的应用前景和发展潜力。
大型仪器设备系统复杂，要对多种信息进行采集、处理、控制、输出等操作。
如医疗器械CT断层扫描仪，为保证其可靠工作，在数据通信上要求功能块间可随意进行数据交换、通信能以广播方式进行、具有简单经济的硬件接口、通信线尽量少、抗干扰能力强、可靠性高并能自动进行故障识别和自动恢复。
但是，这些要求长时间未能得到很好地解决，直至CAN总线技术出现才提供了一个较好地解决方法。
测控系统离不开传感器，由于各类传感器的工作原理不同，其最终输出的电量形式也各不相同，为了便于系统连接，通常要考虑将传感器的输出变换成标准电压或电流信号。
即便是这样，在与计算机相连时，必须增加A/D环节。
如果传感器能以数字形式输出，就可以方便的与计算机直接相连，从而简化系统结构，提高精度。
这种传感器与计算机直接相连的总线可称为传感器总线。
实际上传感器总线仍属于现场总线，关键的问题在于如何将总线的接口与传感器一体化。
在广泛的控制领域，CAN总线可作为现场设备级的现场总线，与其他总线相比，具有很高的可靠性和性价比。
这必将是CAN技术开发应用的一个主要方向。
近年来CAN总线技术在我国的应用取得很大的成绩,据英国敏思管理咨询公司（IMS）对工业通信中国市场的调查报告看，截至2008年在我国已安装CAN现场总线和工业以太网的节点估计为1166.75万个，其数量可以说是够庞大的。
其中按通信协议来分：
Profibus占24.2%（282.7万个）、CC-Link占11.16%（130.31万个）、DeviceNet占9.75%（113.83万个）、FF占1.67%（19.58万个）。
CAN总线系统已安装的节点数要比过程控制用现场总线（如FF）高整整一个数量级。
1.4本章小结
本章从课题研究的背景出发，阐述了研究的背景和发展趋势。
从现场总线和CAN总线的发生、发展和相关领域的成果及发展趋势出发，详细论述了现场总线和CAN总线的优势和主要特性，来说明研究的必要性，达到深化主题的目的。
第2章CAN总线的特点和协议简介
CAN总线与其他现场总线相比具有突出的可靠性、实时性和灵活性。
CAN总线主要是一种多主方式的串行通信总线，基本设计规范要求有高的位速率、高抗电磁干扰性，而且能够几乎检测出产生的任何错误。
CAN总线在通信能力的高可靠和易用性、传输距离远、成本低等方面有着明显的优势，成为业界最有前途的现场总线之一。
2.1CAN总线的特点
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。
CAN技术和产业化在中国一定会拥有更加广阔的市场前景。
其特点可以概括如下：
1.CAN从本质上讲是一种多主或对等网络，网络上任一设备节点（以下简称“节点”）均可主动发送报文，通信方式灵活。
2.废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据进行编码；通过报文过滤，可实现点对点、多点传送、广播等几种数据传送方式。
3.采用短帧结构，传输距离短，受干扰概率低，具有良好的检错效果。
4.具有多种检错措施及相应的处理功能，检错效果极好，处理功能很强，保证了通信的高可靠性。
具有位错误和位填充错误检测、CRC校验、报文格式检查和应答错误检测及相应的错误处理能力。
5.通信介质（媒体）可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。
6.总线长度可达10km（速率为5kbit/s及其以下）；网络速度可达1Mbit/s（总线长度为10m及其以下）。
7.网络上的CAN节点数主要取决于总线驱动电路。
目前标准格式的报文标识符理论上可达2的11次方个，而扩展格式的报文标识符的个数理论上可达2的29次方个，几乎不受限制。
8.通过报文的标识符来定义CAN节点报文的优先级。
对于实时性要求不高的节点报文，可定义不同级别的优先级，从而保证高优先级的节点报文得到优先发送。
9.采用非破坏性逐位仲裁机制来解决总线访问冲突。
通过采用这种机制，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点可不受影响的继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。
10.发生严重错误的节点具有自动关闭输出的功能，以使总线上的其他节点的通信能够继续进行。
2.2CAN总线的分层结构
CAN总线遵从OSI参考模型，按照OSI基准模型，CAN分层结构定义了其中的3层：
物理层、数据链路层和应用层。
前两层已被CAN的硬件所实现，而应用层可由用户自行定义，设计成适合其应用领域的不同方案。
CAN总线协议分层结构如表2-1所示。
表2-1CAN总线协议结构分层
协议层
对应OSI模型
说明
LLC
数据链路层
逻辑链路控制层，用于为链路中的数据传输提供上层控制手段
MAC
媒体访问控制层，用于控制仲裁、错误界定等数据传输具体实现
物理层
物理层
作用是在不同节点间根据所有的电气属性进行位的实际传输
LLC层和MAC层是CAN总线数据链路层的两个子层。
其中LLC子层的主要功能是：
为数据传送和远程数据请求提供服务，确认有LLC子层接收的报文实际已被接收，完成报文滤波、过载通知和恢复管理等工作。
MAC子层的功能主要是传送规则，亦即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定。
MAC子层不存在修改的灵活性。
物理层的功能是有关全部电气特性在不同节点间的实际传送，主要有位编码解码、同步、位定时等功能。
自然，在一个网络中，物理层的所有节点协议规范、电器属性必须是相同的。
2.3报文的传送及帧结构
在CAN网络中，一个发出报文的节点称为该报文的发送器，并且保持该身份直至总线空闲或丢失仲裁。
如果一个节点不是这条报文的发送器，而且总线不空闲，则该节点称为接收器。
根据CAN协议，接收器接收数据时必须先进行报文过滤，报文过滤是CAN总线的一大特色。
通过报文过滤，能使相关的报文被正确的接受和处理，不相关的报文不被采用，极大地节省了节点的资源。
2.3.1帧的格式
在CAN总线2.0B规范中，有两种不同的帧格式，不同之处为标识符的长度不同。
具有11位标识符的帧称之为标准帧，而含有29位标识符的帧称之为扩展帧。
数据帧和远程帧都可以使用标准帧格式或者扩展帧格式。
它们通过帧间间隔与先前的帧区分开。
2.3.2帧的类型
CAN总线的报文传送由4种不同类型的帧表示和控制：
●数据帧用于发送节点向接收节点传送数据的帧；
●远程帧用于接收节点向具有相同标识符的发送节点请求数据的帧；
●错误帧用于当检测出错误时向其他节点通知错误的帧；
●超载帧用于提供当前的和后续的数据帧的附加延迟。
1.数据帧
数据帧由7个不同的位场组成，即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场和帧结束。
数据长度可为0。
CAN技术规范2.0B数据帧组成如图2-1所示。
图2-1数据帧的组成
（1）帧起始：
标志数据帧和远程帧的起始，是帧开始的场，由一个单独的显性位组成。
它只有在总线处于空闲状态时，才允许单元开始发送。
所有单元都必须同步于首先开始发送的那个单元的帧起始前沿，即总线值从隐性变为显性时，产生的跳变沿。
（2）仲裁场：
由标识符和远程发送请求位（RTR）组成，如图2-2所示。
图2-2仲裁场的组成
仲裁场是表示一个数据帧优先级的场，由标识符（ID）和远程发送请求位（RTR）组成。
对于CAN2.0B，标准格式和扩展格式的仲裁场格式不同。
在标准格式中，仲裁场由11位标识符和远程发送求位RTR组成，标识符为ID.28～ID.18，如图2-3所示。
图2-3CAN技术规范数据帧标准格式仲裁场
然而在扩展格式中，仲裁场由29位标识符、远程请求位SRR、标识位IDE和远程发送请求位RTR组成，标识符位为ID.28～ID.0，如图2-4所示。
图2-4CAN技术规范数据帧扩展格式仲裁场
（3）数据场：
由数据帧中被发送的数据组成，它可发送0~8个字节数据，当然数据场长度也可以为0。
发送时首先发送的是数据的最高位。
（4）CRC场（标准帧格式及扩展帧格式）：
是检查帧传输错误的场，包括CRC序列，其后是CRC界定符，CRC场的组成如图2-5所示。
图2-5CRC场的组成
（6）应答场（ACK）：
为两位，包括应答间隙和应答界定符。
是用来确认接收的场。
（7）帧结束：
数据帧结束的场，每个数据帧或远程帧均由一个标志序列界定。
这个标志序列由7个隐性位组成。
这部分由CAN控制器SJA1000自动完成。
2.远程帧
远程帧用于接收节点向具有相同标识符的发送节点请求数据的帧。
远程帧由6个不同位场组成：
帧起始、仲裁场、控制场、CRC场、应答场和帧结束。
远程帧和数据帧的结构基本相同，其RTR位为隐性位，且不存在数据场，远程帧组成如图2-6所示。
图2-6远程帧的组成
3.错误帧
错误帧由两个不同场组成，第一个由来自各部分的错误标识叠加而得到，随后的第二个场是错误界定符。
如图2-7所示。
图2-7错误帧的组成
错误帧是用于当检测出错误时向其他节点通知错误的帧。
4.超载帧
超载帧用于在先行的和后续的数据帧或远程帧之间提供附加延时，包括两个位场：
超载标志叠加和超载界定符。
超载帧组成如图2-8所示。
图2-8超载帧的组成
2.4CAN总线数据仲裁和检错
CAN报文只能在总线空闲状态期间启动发送过程，总线上所有的控制器同步于帧起始的前沿，这个过程由硬同步来完成。
若有两个或更多的CAN节点同时开始发送，在总线访问冲突时通过仲裁场发送期间位仲裁处理方法来解决。
每个报文包括一个唯一的标识符和在报文中含描述数据极性的RTR位。
标识符和RTR位最先发送，标识符和RTR位对应二进制数值最低
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