最新CAN总线的双机冗余系统设计.doc

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-dateCAN总线的双机冗余系统设计摘 要课程设计（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总线的双机冗余系统设计课程设计（论文）任务课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数实现功能CAN总线的双机冗余系统设计，使在出现故障时能自动切换，保证系统安全、稳定运行。设计硬件包括总线控制器、总线收发器及ATMEL系列单片

2、机及切换逻辑等。软件采用汇编语言或C语言，并调试与分析。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，包括元器件选择。3、画出硬件原理图。4、绘出程序流程图，并编写初始化、接收及发送程序。5、要求认真独立完成所规定的全部内容；所设计的内容要求正确、合理。6、按学校规定的格式，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、布置任务，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

3、编写功能程序及调试（3天）4、撰写、打印设计说明书（1天）5、验收及答辩。（1天）指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 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总线的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的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。随着功能强大的单片机在控制领域应用的不断深入,容错控制系统也在不断地发展,在一些特定的场合下,如在航空航天、军事、

4、铁路、石油、化工、电力等重要部门和在恶劣工作环境下工作的计算机控制系统,对系统安全性、可靠性、可用性的要求更高。双冗余系统的两个模块同时执行一样的操作,在其中一个模块出现故障的时候,可以自动判断切换,以保证系统稳定、可靠、不间断的工作。双冗余系统不仅有较高的可靠性,而且有很高的安全性,因此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总线的发展11.2 CAN通信特点11.3 CAN总线的应用2第2章 课程设计的方案32.1 系统整体结构32.2系统设计方案选择42.2.1主控机的选择42.2.2现场总线收发器选择42.2.3现场总线控制器选

5、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 主程序流程图104.2接收中断服务程序流程图114.3系统程序13第5章 课程设计总结16参考文献17-第1章 绪论1.1 CAN总线的发展CAN (Controller Area Network) 是现场总线的一种，即控制器局域网，CAN 是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，是由德国Bosch 公司为汽车的监测和控制系统而设计的, 目前 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

6、，Intel，Philips 等大半导体器件生产厂家的支持，迅速推出各种集成有 CAN 协议的产品，用于汽车内部检测部件与执行部件间的数据通讯。但 随 着 时 间 的 发 展 ，其应用范围已不再局限于汽车工业，仅在国内，其应用已遍及过程控制、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，并且得到了快速发展。CAN总线已形成国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一 。1.2 CAN通信特点与其它同类技术相比，CAN在可靠性、实时性、和灵活性方面具有独特的技术优势，其主要技术特点为：（1）CAN总线上任一节点均可在任意时刻主动地向其它节点发起通信，节点不分主从，通信方式

7、灵活。（2）可将CAN总线上的节点信息，按对实时性要求的紧急程度，分成不同优先级，最高优先级的数据可在最多134s内得到传输，以满足控制信息的通信要求。（3）CAN采用载波监听堕落访问、逐位仲裁的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起冲突时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响的继续传输数据，从而大大的节省了总线冲突仲裁时间。（4）CAN的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上的节点数主要决定于总线驱动电路，目前可达110个，报文标示符可达2032种

8、（CAN2.0A），而扩展标准（CAN2.0B）的报文标识符几乎不受限制。（6）采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。（7）CAN节点中均设有出错检测、标定和自检的强有力措施。出错检测的措施包括发送自检、循环冗余码检验、位填充和报文格式检查。因而数据出错率低。（8）CAN总线的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光线，选择灵活。1.3 CAN总线的应用随着汽车电子技术的发展，消费者对于汽车功能的要求越来越多，汽车上所用的电控单元不断增多，电控单元之间信息交换的需求，使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的连接信号线，这就促进了车用总线技术的发展。CAN 总线的出现

9、，就是为了减少不断增加的信号线，所有的外围器件都可以被连接到总线上 由于CAN总线具有可靠性高、实时性好、成本合理等优点，逐渐被应用于如船舶、航天、工业测控、自动化、电力系统、楼宇监控等其他领域中。电量采集及计量系统是一个较新的领域，涉及的专业多，系统管理的计量点数量庞大。系统包括数十个变电站，数百多个计量点，应用最先进的计算机网络通信和控制技术，采用分层、分布、开放型结构，充分考虑了系统功能的全面性、实用性，实现变电站电能量的自动采集、传输、存储、分析、计费、管理、监控和WEB 发布功能。目前在局域网上的用户通过IE 浏览器即可浏览该系统采集的各厂站的电能量数据；可了解到每天各市各县的供电量

10、；可全面掌握电子式电能表的各种运行参数；可了解到各厂站每天的母线不平衡率、主变线损、全站线损情况。同时该系统可与全市的大用户负荷管理系统接口，可进一步了解到各联络线线损和专线线损情况。系统通过当地移动通讯部门，将手机卡安装在用户端加装的电量采集终端内，利用无线通讯技术和网络，随时采集用户计费表的表码、电流、电压、功率、失压记录等各种运行数据，实现了远程自动抄表、数据对比分析。如果用户端有窃电行为，预设的报警功能可及时提醒。第2章 课程设计的方案2.1 系统整体结构本系统以MSP430F149单片机作为主控机,设计了一种基于CAN总线的双机冗余系统的设计方案，防止在其中一套系统出现故障时，另一套

11、系统能立即启动，代替工作。总体结构是通过单片机连接总线控制器、总线收发器、总线切换器，进行数据传递并控制工作。本方案以MSP430F149单片机作为主控核心，与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核心主控制模块。 总线切换器进行主站从站工作的切换，使当系统发生故障时,冗余配置的部件介入并承担故障部件的工作,由此减少系统的故障时间。系统设计的总体方框图如图2.1所示。图2.1为总体框图2.2系统设计方案选择根据上述系统要求，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。主控机和执行器的选型关系到系统

12、的实用性、经济性和可靠性等方面，因此器件的选型显得尤为重要。下面依次对各个组成部分进行选择。2.2.1主控机的选择常用的主控机是方案一中的单片机，但本次课程设计，考虑到节约成本，方便简单等方面的综合因素，选用方案二中的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：采用AT89C51单片机作为主控制器，AT89C51片内存储器采用闪速存储器，使程序写入更方便；芯片尺寸小，使整个硬件电路更小。此外价格低廉、性能比较稳定，CPU具有8K8ROM、2568RAM、2个16位定时计数器、4个8位I/O接口。AT89C51是一种低功耗、低电压、高性

13、能的8位单片机。方案二：采用MSP430F149单片机作为主控机。MSP430F149具有低成本和超低功耗的特点，闪存高达16KB，具有通用串行通讯接口和10位ADC，处理速度极快。MSP430F149是一种16位处理器单片机，与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的一个非常重要 的特点是它对多通信介质的支持 。CAN总线可以根据不同的现场环境选择不同的收发器和介质。在本次课程设计中，要求总线连接110个节点，速率达到1Mbps，但是由于TJA1050在待机模式下关闭发送器和过热保护等更加完善的功能，所以本次课程设计中的现场总线收发器，选择方案一，即TJA1050总线收发

14、器。方案一：TJA1050收发器。TJA1050收发器是 Philips公司生产的、用以替代PCA82C250的高速的CAN总线收发器。该器件提供了CAN控制器与物理总线之间的接口以及对CAN总线的差动发送和接收功能。TJA1050与ISO11898标准完全兼容，具有过热保护，总线与电源及地之间的有短路保护功能。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的接口。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，可以在汽车和一般的工业应用上使用。PCA82C250/251收发器完全符合ISO11898标准高速率，最高可达到

15、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按照本次课程设计的具体要求，并且考虑到成本以及安全性能，本次课程设计的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。前者的使用温度范围为-40+125，适用于汽车及某些军用领域；后者适用于一般工业领域，温度范围是-4080。82C200具有完成高性能通信协议所要求的必要特性。通过简单地连接即可完成CAN总线协议物理层和数据链路层的所以功能，应用层由微控制器完成。方案二：SJA1000总线控制器。SJA1000是一种独立控制器，

16、用于汽车和一般工业环境中的局域网络控制。它是Philips公司的PCA82C200CAN的替代产品。而且，它增加了新的工作模式，并且这种模式支持具有很多新特点的CAN2.0B协议。按照本次课程设计的具体要求，并且考虑到成本以及安全性能，本次课程设计的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年开始推向市场的一种16位超低功耗单片机，其中包括一系列部件，它们由MSP430单片机的CPU，以及针对不同的应用而提供的外围模块组成。MSP430F149具有低成本和超低功耗的特点，闪存高达16KB，具有通

17、用串行通讯接口和10位ADC，处理速度极快。MSP430F149是一种16位处理器单片机，与8位单片机相比占绝对优势。MSP430系列单片机具有16位RISC结构，运算能力较强，并具有丰富的片内外设，具有非常广泛的应用范围。MSP430F149单片机的主要特性有以下几点：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从等待方式唤醒，时间小于6。l16位RISC结构，125ns指令周期。l基本时钟模块配置：高速晶体（最高8MHz）；低速晶体（32KHz）；数字控制振荡器D

18、CO。l配合外部期间可构成单斜边A/D转换器。l12位200ksps的A/D转换器，自带采样保持。l内部温度传感器。l具有3个捕获/比较寄存器的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步模式。l6个8位并行端口，且2个8位端口有中断能力。l硬件乘法器。l多达60KB Flash和2KB RAM。l串行在系统编程。l保密熔丝的程序代码保护。单片机的最小系统是指单片机能正常工作所必须的外围元件，主要可分成复位电路和时钟电路。MSP430F149单片机最小系统如图3.1所示。图3.1为单片机最小系统3.2总线控制器设计SJA1000总线控制器是一种独立控制器，用

19、于汽车和一般工业环境中的局域网络控制。它是Philips公司的PCA82C200CAN的替代产品。而且，它增加了新的工作模式，并且这种模式支持具有很多新特点的CAN2.0B协议。SJA1000的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接口电路如图3.2所示。 图3.2为SJA100 控制器3.3总线收发器设计TJA1050收发器是 Philips公司生产的、用以替代PCA82C250的高速的CAN总线收发器。该器件提供了CAN控制器与物理总线之间的接口以及对CAN总线的差动发送和接收功能。TJA1050与ISO1

20、1898标准完全兼容，具有过热保护，总线与电源及地之间的有短路保护功能。引脚S用于选定TJA1050的工作模式。有两种工作模式可供选择：高速和静音。如果引脚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的正常工作模式。如果引脚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，器件的所有其它部分仍继续工作。该模式可以防止由于CAN控制器失控而造成网络阻塞。TJA1050接口电路如图3.3所示。图3.3为TJA1050接口电路3.4总体连接图如图3.4为器件总体连接图，其中的连线在protel中可以用网络标号代替，更加简

21、洁明了。图3.4为总体连接图第4章 软件设计4.1 主程序流程图 如图4.1为主程序流程图。系统开始复位后，MSP430单片机初始化，开始正常工作后，如果出现故障，则立刻进行冗余切换。当遇到中断时，马上去处理中断，然后再继续执行任务。如图4.1为主程序流程图4.2接收中断服务程序流程图单片机初始化完成后，在总线上发送询问帧，若有主机在运行，则置当前机为主机。获得三总线的控制权和使用权。若两机同时接受到信号，则根据CAN总线仲裁协议，其中一个回去的优先权，使它的询问帧发送成功。若发送询问帧后无反应，则认为出现故障。如图4.2。图4.2 接收中断服务程序流程图单片机初始化完成后，在总线上发送询问帧

22、，若有主机在运行，则置当前机为主机。获得三总线的控制权和使用权。若两机同时接受到信号，则根据CAN总线仲裁协议，其中一个回去的优先权，使它的询问帧发送成功。若发送询问帧后无反应，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;i512;i+) _nop_() con_reg=ox41; for(i=0;i512;i+) _nop_() cpu_inter_reg=ox41;clk_out_reg=ox30;bus_config_reg=0;g_m_s_reg0=oxff; g_m_s_reg1=o

23、x1f;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=o

24、x55;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_re

25、gf1=ox55;mesg_regf0=ox99;con_reg=ox02;单片机程序如下：#include #include #include s.hsbit 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

26、0xa0 /地址以及读写方向，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 ida

27、ta 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 SendBufInf

28、o;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的课程设计，终于完成了CAN总线的双机冗余系统设计，虽然系统还有许多不足，但我从中学到了许多东西，我知道了如何根据单片机连接线路图。此次课程设计涉及到了许多框图和流程图的设计，我通过学习Visio这个绘图软件很好的完成了图纸的设计。此次课程设计我通过查阅大量的资料，经过分析思考将有用的部分应用

29、到了论文之中，刚开始对双机冗余的概念完全不知道是怎么回事，通过查阅资料已经有了整体上的了解。虽然在今年的工业控制网络这门课中学习了CAN总线，但我对此的了解并不深入，这次我已经掌握了大多部分。最重要的是学到了论文的格式如何写，论文的Word排版如何做，这是平时所练习不到的。通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关单片机和总线方面的知识。在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。我认为，在这学期的课程设计中，我不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在课设中，我

30、学到了总线的应用和双冗余系统的设计。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。参考文献1 阳宪惠.现场总线技术及其应用M.清华大学出版社,20082 周明.现场总线控制M.中国电力出版社,20013 梁清华,赵越岭,戴永彬,郭栋.工业控制网络技术实验教程M.沈阳:东北大学出版社.2013.4 James A.Rehg.Glenn.Sartori.可编程逻辑控制器J.北京:电子工业出版社，2008.8，196-2985 陈正义.单片机控制实习M.北京：人民邮电出版社，2006.3-90. 6 吉雷：Protel99从入门到精通，西安电子科技大学出版社，2000.107 郭永贞.电子技术试验与课程设计指导模拟电路分册M.南京：东南大学出版社，2004.34-39.8 孙立辉，原亮.单片机与嵌入式系统应用合订本（712）M.20019 西华大学老师.电子技术试验指导书M.成都：西华大学电工电子试验实习中心，2009.105-188.10 褚南峰.电工技术试验及课程设计M.北京：中国电力出版社，2005.166-168.11 邹季军.现场总线CAN原理与应用技术M.北京：北京航空航天大学出版社，200312 李凤阁，佟为明.电气控制与可编程控制器应用技术M.北京：机械工业出版社，2008