CAN总线的双机冗余专业系统设计.doc

课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：自动化学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目CAN总线双机冗余系统设计课程设计（论文）任务课题完成功效、设计任务及要求、技术参数实现功效CAN总线双机冗余系统设计，使在出现故障时能自动切换，确保系统安全、稳定运行。设计硬件包含总线控制器、总线收发器及ATMEL系列单片机及切换逻辑等。软件采取汇编语言或C语言，并调试和分析。设计任务及要求1、确定设计方案，画出方案框图。2、冗余系统硬件设计，包含元器件选择。3、画出硬件原理图。4、绘出程序步骤图，并编写初始化、接收及发送程序。5、要求认真独立完成所要求全部内容；所设计内容要求正确、合理。6、按学校要求格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。技术参数1、符合CAN2.0B规范；2、40米内最高可达1Mbit/s；（设计选定传输速率为125K bit/s）3、可扩充110个节点；进度计划1、部署任务，查阅资料，确定系统设计方案（2天）2、系统硬件设计及模块选择（3天）3、系统软件设计及编写功效程序及调试（3天）4、撰写、打印设计说明书（1天）5、验收及答辩。（1天）指导老师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导老师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要CAN总线高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展热点之一，被誉为自动化领域计算机局域网。它出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠数据通信提供了强有力技术支持。伴随功效强大单片机在控制领域应用不停深入,容错控制系统也在不停地发展,在部分特定场所下,如在航空航天、军事、铁路、石油、化工、电力等关键部门和在恶劣工作环境下工作计算机控制系统,对系统安全性、可靠性、可用性要求更高。双冗余系统两个模块同时实施一样操作,在其中一个模块出现故障时候,能够自动判定切换,以确保系统稳定、可靠、不间断工作。双冗余系统不仅有较高可靠性,而且有很高安全性,所以在控制领域中可广泛应用。关键词：CAN总线；单片机；双冗余系统；目 录第1章 绪论11.1 CAN总线发展11.2 CAN通信特点11.3 CAN总线应用2第2章 课程设计方案32.1 系统整体结构32.2系统设计方案选择42.2.1主控机选择42.2.2现场总线收发器选择42.2.3现场总线控制器选择5第3章 系统硬件设计63.1单片机最小系统设计63.2总线控制器设计73.3总线收发器设计83.4总体连接图9第4章 软件设计104.1 主程序步骤图104.2接收中止服务程序步骤图114.3系统程序13第5章 课程设计总结16参考文件17第1章 绪论1.1 CAN总线发展CAN (Controller Area Network) 是现场总线一个，即控制器局域网，CAN 是一个有效支持分布式控制或实时控制串行通信网络，是由德国Bosch 企业为汽车监测和控制系统而设计, 现在 CAN总线规范已被国际标准化组织 ISO 制订为国际标准 ISO11898，并得到了 Motorola，Intel，Philips 等大半导体器件生产厂家支持，快速推出多种集成有 CAN 协议产品，用于汽车内部检测部件和实施部件间数据通讯。但 随 着 时 间 发 展 ，其应用范围已不再局限于汽车工业，仅在中国，其应用已遍布过程控制、机械工业、智能建筑、智能电器、化学工业、码头货运、分布管理等领域，而且得到了快速发展。CAN总线已形成国际标准，并已被公认为多个最有前途现场总线之一 。1.2 CAN通信特点和其它同类技术相比，CAN在可靠性、实时性、和灵活性方面含有独特技术优势，其关键技术特点为：（1）CAN总线上任一节点均可在任意时刻主动地向其它节点提议通信，节点不分主从，通信方法灵活。（2）可将CAN总线上节点信息，按对实时性要求紧急程度，分成不一样优先级，最高优先级数据可在最多134µs内得到传输，以满足控制信息通信要求。（3）CAN采取载波监听堕落访问、逐位仲裁非破坏性总线仲裁技术。一是先听再讲，二是当多个节点同时向总线发送报文而引发冲突时，优先级较低节点会主动地退出发送，而最高优先级节点可不受影响继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。（4）CAN直接通信距离最远可达10Km（速率5Kb/s以下）；通信速率最高可达1Mbps（此时通信距离最长为40m）。（5）CAN上节点数关键决定于总线驱动电路，现在可达110个，报文标示符可达2032种（CAN2.0A），而扩展标准（CAN2.0B）报文标识符几乎不受限制。（6）采取短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，含有极好检错效果。（7）CAN节点中均设有犯错检测、标定和自检强有力方法。犯错检测方法包含发送自检、循环冗余码检验、位填充和报文格式检验。所以数据犯错率低。（8）CAN总线通信介质可为双绞线、同轴电缆或光线，选择灵活。1.3 CAN总线应用伴随汽车电子技术发展，消费者对于汽车功效要求越来越多，汽车上所用电控单元不停增多，电控单元之间信息交换需求，使得电子装置之间通讯越来越复杂，同时意味着需要更多连接信号线，这就促进了车用总线技术发展。CAN 总线出现，就是为了降低不停增加信号线，全部外围器件全部能够被连接到总线上 因为CAN总线含有可靠性高、实时性好、成本合理等优点，逐步被应用于如船舶、航天、工业测控、自动化、电力系统、楼宇监控等其它领域中。电量采集及计量系统是一个较新领域，包含专业多，系统管理计量点数量庞大。系统包含数十个变电站，数百多个计量点，应用最优异计算机网络通信和控制技术，采取分层、分布、开放型结构，充足考虑了系统功效全方面性、实用性，实现变电站电能量自动采集、传输、存放、分析、计费、管理、监控和WEB 公布功效。现在在局域网上用户经过IE 浏览器即可浏览该系统采集各厂站电能量数据；可了解到天天各市各县供电量；可全方面掌握电子式电能表多种运行参数；可了解到各厂站天天母线不平衡率、主变线损、全站线损情况。同时该系统可和全市大用户负荷管理系统接口，可深入了解到各联络线线损和专线线损情况。系统经过当地移动通讯部门，将手机卡安装在用户端加装电量采集终端内，利用无线通讯技术和网络，随时采集用户计费表表码、电流、电压、功率、失压统计等多种运行数据，实现了远程自动抄表、数据对比分析。假如用户端有窃电行为，预设报警功效可立即提醒。第2章 课程设计方案2.1 系统整体结构本系统以MSP430F149单片机作为主控机,设计了一个基于CAN总线双机冗余系统设计方案，预防在其中一套系统出现故障时，另一套系统能立即开启，替换工作。总体结构是经过单片机连接总线控制器、总线收发器、总线切换器，进行数据传输并控制工作。本方案以MSP430F149单片机作为主控关键，和CAN总线控制器SJA1000完成通信协议。CAN总线收发器TJA1050、总线切换器、总线控制器等模块组成关键主控制模块。 总线切换器进行主站从站工作切换，使当系统发生故障时,冗余配置部件介入并负担故障部件工作,由此降低系统故障时间。系统设计总体方框图图2.1所表示。图2.1为总体框图2.2系统设计方案选择依据上述系统要求，本系统应由主控制器、现场总线收发器、现场总线控制器、上位机等几部分组成。主控机和实施器选型关系到系统实用性、经济性和可靠性等方面，所以器件选型显得尤为关键。下面依次对各个组成部分进行选择。2.2.1主控机选择常见主控机是方案一中单片机，但此次课程设计，考虑到节省成本，方便简单等方面综合原因，选择方案二中单片机作为主控制器。考虑到本系统程序部分较大，而且要求经济实用，处理速度快，综合考虑选择方案二。方案一：采取AT89C51单片机作为主控制器，AT89C51片内存放器采取闪速存放器，使程序写入更方便；芯片尺寸小，使整个硬件电路更小。另外价格低廉、性能比较稳定，CPU含有8K´8ROM、256´8RAM、2个16位定时计数器、4个8位I/O接口。AT89C51是一个低功耗、低电压、高性能8位单片机。方案二：采取MSP430F149单片机作为主控机。MSP430F149含有低成本和超低功耗特点，闪存高达16KB，含有通用串行通讯接口和10位ADC，处理速度极快。MSP430F149是一个16位处理器单片机，和8位单片机相比占绝对优势。2.2.2现场总线收发器选择总线一个很关键 特点是它对多通信介质支持 。CAN总线能够依据不一样现场环境选择不一样收发器和介质。在此次课程设计中，要求总线连接110个节点，速率达成1Mbps，不过因为TJA1050在待机模式下关闭发送器和过热保护等愈加完善功效，所以此次课程设计中现场总线收发器，选择方案一，即TJA1050总线收发器。 方案一：TJA1050收发器。TJA1050收发器是 Philips企业生产、用以替换PCA82C250高速CAN总线收发器。该器件提供了CAN控制器和物理总线之间接口和对CAN总线差动发送和接收功效。TJA1050和ISO11898标准完全兼容，含有过热保护，总线和电源及地之间有短路保护功效。方案二：PCA82C250/251收发器。PCA82C250/251收发器是协议控制器和物理传输线路之间接口。此期间对总线提供差动发送能力，对CAN控制器提供差动接收能力，能够在汽车和通常工业应用上使用。PCA82C250/251收发器完全符合ISO11898标准高速率，最高可达成1Mbps，可连接110个节点，工作温度范围为-40125。2.2.3现场总线控制器选择根据此次课程设计具体要求，而且考虑到成本和安全性能，此次课程设计总线控制器选择方案一，即SJA1000控制器。方案一：82C200总线控制器。有PAC82C200和PCF82C200两种类型。前者使用温度范围为-40+125，适适用于汽车及一些军用领域；后者适适用于通常工业领域，温度范围是-4080。82C200含有完成高性能通信协议所要求必需特征。经过简单地连接即可完成CAN总线协议物理层和数据链路层所以功效，应用层由微控制器完成。方案二：SJA1000总线控制器。SJA1000是一个独立控制器，用于汽车和通常工业环境中局域网络控制。它是Philips企业PCA82C200CAN替换产品。而且，它增加了新工作模式，而且这种模式支持含有很多新特点CAN2.0B协议。根据此次课程设计具体要求，而且考虑到成本和安全性能，此次课程设计总线控制器选择方案一，即SJA1000控制器。第3章 系统硬件设计3.1单片机最小系统设计MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场一个16位超低功耗单片机，其中包含一系列部件，它们由MSP430单片机CPU，和针对不一样应用而提供外围模块组成。MSP430F149含有低成本和超低功耗特点，闪存高达16KB，含有通用串行通讯接口和10位ADC，处理速度极快。MSP430F149是一个16位处理器单片机，和8位单片机相比占绝对优势。MSP430系列单片机含有16位RISC结构，运算能力较强，并含有丰富片内外设，含有很广泛应用范围。MSP430F149单片机关键特征有以下几点：l低电源电压范围：1.83.6V.l超低功耗：2.5 4KHz,2.2V；280 1MHz,2.2V。l5种节电模式：LPM0LPM4，其中LPM4耗电最省，仅为0.1。l从等候方法唤醒，时间小于6。l16位RISC结构，125ns指令周期。l基础时钟模块配置：高速晶体（最高8MHz）；低速晶体（32KHz）；数字控制振荡器DCO。l配合外部期间可组成单斜边A/D转换器。l12位200kspsA/D转换器，自带采样保持。l内部温度传感器。l含有3个捕捉/比较寄存器16位定时器Timer_A，Timer_B。l两通道串行通信接口可用于异步或同时模式。l6个8位并行端口，且2个8位端口有中止能力。l硬件乘法器。l多达60KB Flash和2KB RAM。l串行在系统编程。l保密熔丝程序代码保护。单片机最小系统是指单片机能正常工作所必需外围元件，关键可分成复位电路和时钟电路。MSP430F149单片机最小系统图3.1所表示。图3.1为单片机最小系统3.2总线控制器设计SJA1000总线控制器是一个独立控制器，用于汽车和通常工业环境中局域网络控制。它是Philips企业PCA82C200CAN替换产品。而且，它增加了新工作模式，而且这种模式支持含有很多新特点CAN2.0B协议。SJA1000控制模块由接口管理逻辑，发送缓冲器，接收缓冲器，验收滤波器，位流处理器位时序逻辑，错误管理逻辑等部分组成。其SJA1000接口电路图3.2所表示。 图3.2为SJA100 控制器3.3总线收发器设计TJA1050收发器是 Philips企业生产、用以替换PCA82C250高速CAN总线收发器。该器件提供了CAN控制器和物理总线之间接口和对CAN总线差动发送和接收功效。TJA1050和ISO11898标准完全兼容，含有过热保护，总线和电源及地之间有短路保护功效。引脚S用于选定TJA1050工作模式。有两种工作模式可供选择：高速和静音。假如引脚S接地，则TJA1050进入高速模式。当S端悬空，其默认工作模式也是高速模式。高速模式也是TJA1050正常工作模式。假如引脚S接高电平，则TJA1050进入静音模式，在这种模式下，发送器被关闭，器件全部其它部分仍继续工作。该模式能够预防因为CAN控制器失控而造成网络阻塞。TJA1050接口电路图3.3所表示。图3.3为TJA1050接口电路3.4总体连接图图3.4为器件总体连接图，其中连线在protel中能够用网络标号替换，愈加简练明了。图3.4为总体连接图第4章 软件设计4.1 主程序步骤图 图4.1为主程序步骤图。系统开始复位后，MSP430单片机初始化，开始正常工作后，假如出现故障，则立即进行冗余切换。当碰到中止时，立即去处理中止，然后再继续实施任务。图4.1为主程序步骤图4.2接收中止服务程序步骤图单片机初始化完成后，在总线上发送问询帧，若有主机在运行，则置目前机为主机。取得三总线控制权和使用权。若两机同时接收到信号，则依据CAN总线仲裁协议，其中一个回去优先权，使它问询帧发送成功。若发送问询帧后无反应，则认为出现故障。图4.2。图4.2 接收中止服务程序步骤图单片机初始化完成后，在总线上发送问询帧，若有主机在运行，则置目前机为主机。取得三总线控制权和使用权。若两机同时接收到信号，则依据CAN总线仲裁协议，其中一个回去优先权，使它问询帧发送成功。若发送问询帧后无反应，则认为出现故障。4.3系统程序CAN初始化程序：void init_can()largeunsigned int data i;for (i=0;i<512;i+) _nop_() con_reg=ox41; for(i=0;i<512;i+) _nop_() cpu_inter_reg=ox41;clk_out_reg=ox30;bus_config_reg=0;g_m_s_reg0=oxff; g_m_s_reg1=ox1f;g_m_e_reg0=oxff;g_m_e_reg1=oxff;g_m_e_reg2=oxff;g_e_s_reg3=oxff;m15_m_reg0=oxff;m15_m_reg1=ox1f;m15_m_reg2=oxff;m15_m_reg3=oxff;tim0_reg=ox87;tim1_reg=oxc8;mesg_reg10=ox55;mesg_reg20=ox55;mesg_reg30=ox55;mesg_reg40=ox55;mesg_reg50=ox55;mesg_reg60=ox55;mesg_reg70=ox55;mesg_reg80=ox55;mesg_reg90=ox55;mesg_rega0=ox55;mesg_regb0=ox55;mesg_regc0=ox55;mesg_regd0=ox55;mesg_rege0=ox55;mesg_regf0=ox55;mesg_reg16=ox88;mesg_reg12=oxf3;mesg_reg13=0;mesg_reg14=0;mesg_reg15=0;mesg_reg10=ox95;mesg_reg26=ox80;mesg_reg22=oxf0;mesg_reg24=0;mesg_reg25=0;mesg_reg21=ox55;mesg_reg20=ox99;mesg_regf6=ox80;mesg_regf1=ox55;mesg_regf0=ox99;con_reg=ox02;单片机程序以下：#include <c8051f340.h>#include <INTRINS.H>#include "s.h"sbit led1    = P20;sbit led2    = P21;sbit SDA    = P22;sbit SCL    = P23;sbit J1     = P30;sbit J2     = P31;sbit st1    = P04;sbit ALE_CAN = P00;sbit RD_CAN   = P01;sbit INT_CAN = P02;sbit CS_CAN   = P03;sbit WR_CAN   = P27;#define WriteDeviceAddress 0xa0 /地址和读写方向，本设备中只有一个IIC设备地址为0#define ReadDviceAddress 0xa1#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define nop _nop_ uchar c116=0X00,0X01,0X02,0X03,0X04,0X05,0X06,0X07,0X08,0X09,0X0a,0X0b,0X0c,0X0d,0X0e,0X0f;uchar c216;uchar c38 =0X00,0X01,0X02,0X03,0X04,0X05,0X06,0X07;unsigned int idata MaxLenCanRxBuf=440;unsigned char xdata CanRxBuf440;    unsigned char idata CanTempBuf11;   unsigned char idata CanTxData8;   unsigned char data_flag=0;unsigned int idata CanRxAddr=0;unsigned char CanRxcompleteFlag=0;unsigned char idata cfgbuf32;unsigned char SendBufId2=0x07,0x20;unsigned char SendBufInfo;unsigned int xdata mSendDelay=0;unsigned char *h_pointer;unsigned char *l_pointer;unsigned char i=0;unsigned char j=0;uint LedFlag1=0;第5章 课程设计总结经过了大约一周课程设计，最终完成了CAN总线双机冗余系统设计，即使系统还有很多不足，但我从中学到了很多东西，我知道了怎样依据单片机连接线路图。此次课程设计包含到了很多框图和步骤图设计，我经过学习Visio这个绘图软件很好完成了图纸设计。此次课程设计我经过查阅大量资料，经过分析思索将有用部分应用到了论文之中，刚开始对双机冗余概念完全不知道是怎么回事，经过查阅资料已经有了整体上了解。即使在今年工业控制网络这门课中学习了CAN总线，但我对此了解并不深入，这次我已经掌握了大多部分。最关键是学到了论文格式怎样写，论文Word排版怎样做，这是平时所练习不到。经过此次课程设计，使我愈加扎实掌握了相关单片机和总线方面知识。在设计过程中即使碰到了部分问题，但经过一次又一次思索，一遍又一遍检验最终找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面知识欠缺和经验不足。我认为，在这学期课程设计中，我不仅培养了独立思索、动手操作能力，在多种其它能力上也全部有了提升。更关键是，在课设中，我学到了总线应用和双冗余系统设计。而这是以后最实用，真是受益匪浅。参考文件1 阳宪惠.现场总线技术及其应用M.清华大学出版社,2 周明.现场总线控制M.中国电力出版社,3 梁清华,赵越岭,戴永彬,郭栋.工业控制网络技术试验教程M.沈阳:东北大学出版社.4 James A.Rehg.Glenn.Sartori.可编程逻辑控制器J.北京:电子工业出版社，.8，196-2985 陈正义.单片机控制实习M.北京：人民邮电出版社，.3-90. 6 吉雷：Protel99从入门到精通，西安电子科技大学出版社，.107 郭永贞.电子技术试验和课程设计指导模拟电路分册M.南京：东南大学出版社，.34-39.8 孙立辉，原亮.单片机和嵌入式系统应用合订本（712）M.9 西华大学老师.电子技术试验指导书M.成全部：西华大学电工电子试验实习中心，.105-188.10 褚南峰.电工技术试验及课程设计M.北京：中国电力出版社，.166-168.11 邹季军.现场总线CAN原理和应用技术M.北京：北京航空航天大学出版社，12 李凤阁，佟为明.电气控制和可编程控制器应用技术M.北京：机械工业出版社，