（检测技术与自动化装置专业论文）基于can总线的石英温度传感器.pdf

摘要 摘要 由于信息技术的发展，传统意义的功能单一的传感器已经不能完全满足人们的 需要，人们更加需要一种智能的，具有自补偿、计算处理及总线通信的功能智能传 感器。该传感器可以提供一个通用的通信接口，使其能方便和其他传感器和执行器 协同工作。 本文介绍的石英温度传感器由传统的传感器和微处理器相结合构成。它利用与 温度相关的石英频率信号进行测量，具有很好准确度、良好的线性度和很强的抗干 扰性能。微处理器可以对传感器的测量数据进行计算、存储和数据处理，使其具有 温度补偿、计算存储和总线通信功能。石英温度传感器不仅具有温度漂移自补偿和 非线性补偿功能，它提还供了标准的c a n 2 0 b 的通信接口。微处理器和总线技术 充分发挥了各种软硬件的功能，使传感器的性能和功能都得到了大幅度提高，降低 了传感器的成本。 论文中不仅设计了基于c a n 总线的温度传感器，实现了温度的数字测量，还 搭建起了c a n 总线网络控制平台，从而验证了方案的可行性和正确性。 关键字：石英温度传感器；c a n 2 0 b ；r s 2 3 2 ；c r c 1 6 ；l c d ；a d c ；d a c a b s t r a c t w i t hd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h et r a d i t i o n a l s e n s o ro ft h es i n g l e f u n c t i o nc a nn o tf u l l ym e e tt h en e e d so fp e o p l e p e o p l en e e ds m a r ts e n s o r st ob em o r e i n t e l l i g e n t o fs e l f - c o m p e n s a t e ，c o m p u t i n g ，硒w e l la sb u sc o m m u n i c a t i o n sf e a t u r e s i t p r o v i d e sac o m m o nc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，a n dm a k e si te a s i e rf o ro t h e rs e n s o r sa n d a c t u a t o r st ow o r kt o g e t h e r s m a r td i g i t a lq u a r t zc r y s t a lt h e r m o m e t e rb a s e do nc a n b u si sc o n s t i t u t e db y c o m b i n a t i o no ft h et r a d i t i o n a l s e n s o r sa n dm i c r o p r o c e s s o r s f o ri t s u s i n gd i g i t a l f r e q u e n c ys i g n a lw h i c hi sc o n v e r t e df r o mt e m p e r a t u r et om e a s u r e ，l t i so fh i g ha c c u r a c y a n dg o o dl i n e a r i t ya n dh a ss t r o n ga n t i i n t e r f e r e n c ep e r f o r m a n c e t h em i c r o p r o c e s s o ro n s e n s o rc a l c u l a t e sa n ds t o r a g e st h em e a s u r e m e n td a t at om a k et h a tt h es e n s o rh a st h e p o w e ro fc o m p u t i n ga n ds e l f - c o m p e n s a t i o n s ot h es e n s o rh a ss om a n yg o o df e a t u r e s s u c h 嬲s e l f - c o m p e n s a t i o n ，l i n e a r i z a t i o n b ys o f t w a r e ，c o m p u t i n g ，嬲w e l l a s c o m m u n i c a t i o nb a s eo nc a nb u s i tp r o v i d e ss t a n d a r d c a n 2 0 bc o m m u n i c a t i o n s i n t e r f a c e sa n di se a s yt of o r man e t w o r ks y s t e m t h o s ep r e s e n tm a k et h e s e n s o r p e r f o h n a n c ea 1 1 df u n c t i o n a l i t yh a v eb e e ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v e da n dr e d u c et h ec o s to f s e n s 0 r s i nt h ep r o j e c tp r e s e n t ，w ed e s i g n e das m a r td i g i t a lq u a r t zc r y s t a lt h e r m o m e t e rb a s e d o nc a nb u st ob u i l dac a n b u sn e t w o r kc o n t r o lp l a t f o r m ，a n dt h er e a l i z e dt e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n tu s i n gas m a r td i g i t a lq u a r t zc r y s t a l t h e r m o m e t e r i th a sv e r i f i e dt h e c o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h ep r o g r a ma n di sg o o ds o l u t i o nt ot h ep r a c t i c a lp r o b l e m s k e yw o r d s ：q u a r t zc r y s t a ls e n s o r ，c a n 2 0 b ，r s 2 3 2 ，c r c - 16 ，l c d ，a d c ，d a c ， c 8 0 5 1 f 0 4 i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京信息科技大学关于收集、保存、使用学位论文的 规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子 版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本 学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向中国科学技 术信息研究所等国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用 于学术活动。 学位论文作者签名： 邢铂 2 0 0 8 年1 2 月3 0 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本 授权书。( 注：论文属公开论文的，作者及导师本处不签 字) 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文题目为基于c a n 总线的石英温度 传感器学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。 尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包 含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确 方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 作者签字： 日 o ，)多月式产年 爿 懈 第一章引言 1 1 研究背景 第1 章引言 随着自动检测与控制技术的迅速发展，对温度测量的精度要求越来越高，被国 际上公认为高精度要求测温标准的铂热电阻虽然具备许多优点，但是它属于模拟传 感器，输出信号要进行数据处理和显示必须通过模数转换，不仅电路复杂，成本高， 而且增加误差i l j 。由于信息技术的发展，传统意义的功能单一的传感器已经不能完 全的满足人们的需要，人们更加需要一种智能的，具有自补偿、计算处理以及总线 通信功能智能传感器。它可以提供一个通用的通信接口，能方便和其他传感器和执 行器协同工作。 石英温度传感器是一种数字传感器，相比较其他传感器，石英温度传感器具有 较高灵敏度、精度、线性度和稳定性。传感器输出与温度相对应的频率信号，抗噪 声能力强，很容易进行数字信号处理。石英温度传感器由传统的传感器和微处理器 相结合构成。微处理器对传感器的测量数据进行计算、存储。数据处理。从而使传 感器具有自补偿和计算功能以解决传感器的温度漂移和非线性补偿，具有自补偿、 软件线性化、计算处理以及总线通信功能。由于微处理器充分发挥了各种软硬件的 功能，所以使传感器的性能大幅度提高，并降低了传感器的成本。 c a n 总线是一种多主机现场总线，c a n 总线采用双线串口通信方式，检错能 力强，可在高噪声干扰环境中工作，c a n 具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通 过c a n 控制器挂到c a n b u s 上，形成多主机局部网络。它可以非常有效的构成分 布式实时监n 控制系统，是可靠性和实时性很高的通信方式。 c a n 总线最初是由b o s c h 公司为汽车的监测、控制系统而设计的，用于控制 发动机点火、注油及复杂的加速、刹车、抗锁定刹车系统等等。c a n 总线非常适合 应用在复杂与强干扰的环境下，并具有强有力的检错与抗干扰能力，其应用范围已 经遍及从高速网络到低成本的多线路网络。目前主要应用于工业自动化、多种控制 设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。正是因为c a n 被愈 来愈多不同的领域采用和推广，导致要求各种应用领域的通信报文( m e s s a g e ) 标准化 的呼声也越来越高。为此，1 9 9 1 年9 月p h i l i p s s e m i c o n d u c t o r s 制订并发布 了c a n 技术规范( v e r s i o n2 0 ) 。该技术规范包括a 和b 两部分。2 0 a 给出了 曾在c a n 技术规范版本1 2 中定义的c a n 报文格式，而2 0 b 给出了标准的和扩 展的两种报文格式。此后，1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布了道路交通运载工具一数字 信息交换一高速通信控制器局部网( c a n ) 国际标准( i s 0 1 1 8 9 8 ) ，为控制器局部网 1 第一章引苦 标准化、规范化的推广铺平了道路。控制器局部网e l 前正在我国迅速普及与发展【9 1 。 r s 2 3 2 技术成熟，可方便的接入计算机。为了保证数据的正确性，课题加入了 c r c 校验和协议来保证通信的正确性。 1 2 主要研究内容 系统采用基振频率为2 8 5 m h z 的j l l 作为测量温度石英，几l 具有极好的线性 特性，对应1 。c ，几1 相应变化约1 0 0 0 h z ，这样温度的灵敏度可以达到0 0 0 1 。c 由于测 得的频率很高，直接接入单片机无法测量，可采用与一基准频率相减，进而获得可 测量的频率。为了防止微小边界输入检测误差，得到频率经过施密特触发器后输入 单片机。系统采用c 8 0 5 1 f 0 4 3 作为测量节点的m c u 。系统利用m c u 的定时器和 计数器进行频率采集，利用片上d a 用作片上a d 基准电压，即片上温度计基准， 片上温度计读数用来校正基准石英频率的微小误差，提高精度。虽然j l l 线性度很 高，但是为了进一步提高效果，系统进一步采用软件线性补偿，进一步提高系统的 线性度。系统利用片上的c a n 总线控制器来进行通信，只需进步加入总线收发 器就可以正常工作。c a n 的传输速率主要受线长，线阻和晶振频率的因素的制约， 这里设置传输速率是1 m b s 根据，具体情况的不同，可以参考速率相应变化。系统 通过一个c a n r s 2 3 2 模块接入到计算机，为了进一步提高通信能力系统将设计一 些简单的协议和c r c 校验来保证数据通信的正确性。理论上当数字超过1 7 位时， 数据检错率近乎1 0 0 。系统能够很好的进行检错。经过串口，模块被接入计算机。 通过计算机显示出来。 2 第_ 二章基于c a n 总线的石英传感器的理论研究 第2 章基于c a n 总线的石英传感器的理论 研究 系统采用石英的频率信号作为温度信号的信号源，由于测量频率很高，单片机 不能直接对信号进行采集，需要与一个频率进行做差。为了提高系统的构成成本， 系统采用频率合成后取外围轮廓获取频差方法来取频差。另外系统的通信主要采用 c a n 总线进行通信。本章将对这两个方面的理论基础进行详细论证。 2 1 低成本频差法实现方法和原理 2 1 1 低成本频差法实现的方法 目前，我们主要使用两种方法用来实现两个频率的做差：一种方法就是把两个 待做差信号通过模拟乘法器后再经过低通滤波后实现两个频率的差值。经过模拟乘 法器后。可以得到两个频率的差信号与和信号，进一步通过低通滤波器后，频率和 的高频部分就被过滤出去了。这种办法简单易行，但是模拟乘法器通常比较贵，增 加了系统的设计成本；另一种办法就是把单片机所用的晶振所产生的频率信号经过 整形的形成方波信号输入到d 触发器中用来作为c l k 。把产生的测温对应频率信 号调制后的方波信号输入d 触发器的d 信号中去。虽然这种办法的成本很低，但 是测量的频率范围将收到大大的约束，进而影响到石英温度传感器的精度，同时由 于传感器的精度很大程度上取决于调制后方波的波形好坏，所以设计对调制电路和 晶体振荡电路都有较高的要求，而且晶振频率的限制也会大大限制c a n 总线通信 速率的设置。 系统中我们采用频率合成后取外围轮廓获取频差方法( f d m o f s ) 实现了频率的 低成本测量。 2 1 2 频率合成后取外围轮廓获取频差方法的实现原理 为了证明频率合成后取外围轮廓获取频差方法( f d m o f s ) 的理论可行性，我们 采用实际轮廓的形成过程的信号分析和信号合成向量分析的两种方法进行证明。 2 1 2 1 实际轮廓的形成过程的信号分析 苎= 兰至王型璺堡塑至墨生墅璺堕墨堡旦墨 我们假定有两个频率相近的信号s l 和s 2 ，它们对应的频率为n 和6 并且 有n f 2 ，它们的相位差为0 。如图2 1 所示。 幽2l 初始态下两个频率台成的波形情况 在初始的时候两个信号的波峰和波谷都大体重叠在一起这时，合成信号的幅 值很大，所以外围轮廓工作在波峰态，随着时间的推移，每个s l 的一个周期，他们 的相位差就增加t 。 11 f - - - 一 ( 2 1 ) 一五 当两个信号的相位差达到1 ( 2 + f i ) ，时，如图22 所示s - 和s 2 的波峰和波谷就 基本丌始重叠在一起这样外围轮廓的幅值信号就处于波谷态。 幽2 2 n 周期肝f 两个频率合成的波形情况 这样形成的外围轮廓的一个周期t i m e s 就等于： t i m “：2 + - l 1 2 ， 那么外围轮廓的信号频率f 就等于： f = t i m e s + = 一 4 22 ) 第二章基于c a n 总线的石英传感器的理论研究 在实际情况中，由于波峰和波谷不可能完全重合，外围信号的波形会有f 大小 的微小的波形失真。但是对于一秒钟，外围信号的波峰的数量只取决与两个信号的 频率差，也就是实际中的f ，那么经过一秒以后，信号就会正好恢复到初始态，而 且那么的波峰波谷数也正好是f l 一次。 2 1 2 2 信号合成向量分析 我们假定有两个频率相近的信号s l 和s 2 ，他们对应的角速度为q ，国：。我们 假定q 缈：，取s 2 为参考速率，那么它们的向量图如下所示： 那么它们的相对角频率就应该为 c o = l c 0 2 ( 2 4 ) 那么不同相位差时，两向量合成信号的向量如图2 3 所示。 图2 3 合成向量图 则s 的幅值为： s = s ? + s ；一2 唯s l 宰s 2 幸c o s ( 万一c o t ) ( 2 5 ) 形成一个渐变过程，一个周期就为： r ：塑：l 一 ( 2 6 ) = 一= 一 l z 6j t 一 i 那么合成外围轮廓信号的频率就为： 1 f = 二q r , = z 一 ( 2 7 ) 工 获得的信号经过一个二极管来进一步获得正向单片信号，然后通过由电阻和电 容组成的电路后，就可以得到外围轮廓信号了。为了进一步优化所得到的信号，我 们还会在后续电路中做一些处理。 在最后的测试中，使用f d m o f s 方法来获取的信号的传感器的优良性能很好 的验证了理论的可行性。 第二章基于c a n 总线的石英传感器的理论研究 2 2c a n 总线技术 2 2 1c a n 总线技术概要 2 2 1 1c a n 总线技术简介 c a n 是c o n t r o l l e ra r e an e t 的缩写，即控制器局部网，它是一种支持分布式控 制或实时控制的串行数据通讯协议。 作为被公认的几种最有前途的现场总线之一，c a n 总线最初是由b o s c h 公司 为汽车的监测、控制系统而设计的，用于控制发动机点火、注油及复杂的加速、刹 车、抗锁定刹车系统等等。c a n 总线非常适合应用在复杂与强干扰的环境下，并具 有强有力的检错与抗干扰能力，其应用范围已经遍及从高速网络到低成本的多线路 网络。目前主要应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、 环境控制等众多部门。正是因为c a n 被愈来愈多不同的领域采用和推广，导致要 求各种应用领域的通信报文( m e s s a g e ) 标准化的呼声也越来越高。为此，1 9 9 1 年9 月p h i l i p s s e m i c o n d u c t o r s 制订并发布了c a n 技术规范( v e r s i o n2 o ) 。该 技术规范包括a 和b 两部分。2 0 a 给出了曾在c a n 技术规范版本1 2 中定义的 c a n 报文格式，而2 0 b 给出了标准的和扩展的两种报文格式。此后，1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布了道路交通运载工具数字信息交换一高速通信控制器局部网 ( c a n ) 国际标准( i s 0 1 1 8 9 8 ) ，为控制器局部网标准化、规范化的推广铺平了道 路。控制器局部网目前正在我国迅速普及与发展【9 1 。 2 2 1 2c a n 总线特点 c a n 总线属于总线式串行通信网络，由于采用了许多新技术以及独特的设计与 一般通信总线相比，c a n 总线具有突出的可靠性、实时性和灵活性。 其特点可以概括如下： ( 1 ) c a n 总线接口芯片支持8 位、1 6 位c p u ，可做成i s a 与p c i 总线的插卡意 插在p c 、x t 、a t 兼容机上，也可置于温度、压力、流量等物理变送器中，构智能 化仪表。 ( 2 ) c a n 总线是唯一具有国际标准( i s o 1 1 8 9 8 ) 的现场总线，目前该规范的本 为2 0p a r t a ，p a r t b 。 ( 3 ) c a n 总线可以在多主机方式下工作，网络上任意一个节点均可以在任意刻， 主动地向网上其它节点发送信息，最先访问总线的单元可获得总线控制权，而分主 从，通讯方式灵活。利用这一特点，可方便地构成多机备份( 冗余) 系统。 ( 4 ) c a n 总线网络上的节点，可分成不同的优先级，以满足不同的实时要求， 6 第一二章基于c a n 总线的石英传感器的理论研究 优先级的数据最多可在1 3 4us 内得到传输。 ( 5 ) c a n 总线采用非破坏性总线仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送信时， 优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输据， 有效避免了总线冲突。这样就大大降低了在网络负载很重的情况下系统出现瘫痪的 可能性。 ( 6 ) c a n 可以点对点、一点对多点、及全局广播几种方式传送和接收数据，只 设置相应验收滤波器即可，无需专门的调度。 ( 7 ) c a n 总线直接通讯距离最远可达1 0 k m ( 5 k b p s ) ，通讯速率最高可达1 m ( 4 0 m ) 。 ( 8 ) c a n 总线上的节点数据理论值为2 0 0 0 个，实际可达l l o 个。 ( 9 ) c a n 总线采用短报文结构，每一帧的有效字节数为8 个。传输时间短，受 扰的概率低，重新发送时间短。 ( i o ) 通讯介质采用廉价的双绞线，无特殊要求。 ( 1 1 ) 用户接口简单，编程方便，很容易构成用户系统。 ( 1 2 ) c a n 总线节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它总 线的联系，以使总线上其他操作不受影响。 ( 1 3 ) c a n 总线每帧信息都有c r c 校验及其它检错措施，保证了数据的出错极 低。 ( 1 4 ) 开发系统廉价，o e m 用户容易操作。i n t e l 、p h i l i p s 等芯片厂商均产具 有c a n 总线接口的8 0 5 l 芯片。 2 2 1 3c a n 总线技术规范 国际标准组织的开放系统互连( i s o o s i ) 模型将各种协议分为七层，自下而 依次为：物理层、链路层、网络层、传送层、会话层、表达层、应用层。 c a n 总线遵从i s o o s i 模型，以确保可以在任何两个c a n 器件之间建立兼容 性不过考虑到c a n 总线主要应用于工业控制底层网络，其单次传输的信息量较小， 时性要求较高，因此综合考虑i s o o s i 基准模型，将c a n 结构划分为两层：数据 路层和物理层，其分层结构如图2 4 所示，而应用层可以由用户自行定义。 7 第一二章基于c a n 总线的石英传感器的理论研究 数 据 链 路 层 物 理 层 l l c 子层 接受滤波 超载通知 恢复管理 m a c 子层 数据封装拆装 帧编码 媒体访问管理 错误监测 出错标定 应答 串行化解除串行化 填充，解除填充 位编码解码 位定时 同步 故障界定 ( m a c _ l m e ) 总线故障管理 ( p l s - l m e ) 图2 4c a n 总线的分层结构 ( 1 ) 物理层 物理层协议为网络中的最低层协议，主要作用是在不同节点之间根据它们的电 气属性进行每位的实际传输，它定义信号怎样进行发送，涉及到位定时、位编码解 码及同步的描述。物理层主要划分为三个部分： 1 物理信令( p l s - - p h y s i c a ls i g n a l i n g ) 实现与位表示、定时和同步相关的功能。 2 物理媒体附属装置( p m a ) 实现总线发送与接收的功能电路，并且可提供 总线故障检测方法。 3 媒体相关接口( m d i ) 实现物理媒体和m a u 之间的机械和电气接口。 ( 2 ) 数据链路层 按照i e e e8 0 2 2 和8 0 2 3 标准，数据链路层又可划分为逻辑链路控制( l l c l o g i cl i n kc o n t r 0 1 ) 与媒体访问控s u ( m a c - - m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 两个部分。 1 l l c 子层：主要负责帧接收滤波、超载通告和恢复管理。 帧接收滤波是确定接收哪一个报文，在l l c 子层上开始的帧跃变是独立的， 其自身操作与先前的帧跃变无关。帧内容由标识符命名，标识符并不能指明帧的目 的地，但可以描述数据的含义，每个接收器通过帧接收滤波确定此帧报文与自身标 识符的i d 是否一致。 超载通告：如果接收器内部条件要求延迟下一个l l c 数据帧或l l c 远程帧， 则通过l l c 子层开始发送超载帧。每次最多可产生两个超载帧，以延迟下一个数 据帧或远程帧。 恢复管理：在发送期间，对于丢失仲裁或被错误干扰的帧，l l c 子层具有自动 重发功能。在发送成功前，帧发送服务不被用户认可。 8 第二章基于c a n 总线的石英传感器的理论研究 2 m a c 子层：主要负责报文分帧、仲裁、应答、错误检测和标定。 它是c a n 协议的核心，它把接收到的报文提供给l l c 子层，并接收来自l l c 子层的报文。 按功能可以将其分为完全独立工作的两个部分，即发送部分和接收部分。发送 功能主要包括发送数据封装、c r c 循环计算、发送媒体访问管理、m a c 帧串行化、 在丢失仲裁情况下，退出仲裁并转入接收方式、构造出错帧并开始发送；接收功能 主要包括接收媒体访问管理以及接收数据卸装。 2 2 1 4c a n 总线的报文传输 c a n 总线协议规定在报文传输过程中，发出报文的单元称为该报文的发送器。 该单元在总线空闲或丢失总线仲裁之前恒为发送器。如果一个单元不是报文发送 器，并且总线不处于空闲状态，则该单元为接收器。对于报文的发送和接收，其实 际有效时刻是不同的；就发送器而言，如果到该帧的结束一直没出错，则报文有效： 如果报文受损，将允许按照优先权顺序自动重发送。为了能与其他报文进行总线访 问竞争，总线一旦空闲，重发送立即开始。而对于接收器而言，如果直到帧结束的 最后一位前一直未出错，则报文有效。 ( 1 ) c a n 总线报文传输格式的总体分类 报文传输格式按功能分可以具体分为以下四种： 数据帧( d a t af r a m e ) ：数据帧携带数据从发送器至接收器。 远程帧( r e m o t ef r a m e ) ：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一识别符的 数据帧。 错误帧( e r r o rf r a m e ) 任何单元检测到总线错误就发出错误帧。 过载帧( o v e r l o a df r a m e ) 过载帧用以在先行的和后续的数据帧( 或远程帧) 之l 日j 提供一附加的延时。 其中数据帧( 或远程帧) 通过帧间空间与前述的各帧分开。 ( 2 ) 数据帧 数据帧由7 个不同的区域组成：帧起始( s t a r to f f r a m e ) 、仲裁区域( a r b i t r a t i o n f i e l d ) 、控制区域( c o n t r o lf i e l d ) 、数据区域( d a t af i e l d ) 、c r c 区域( c r cf i e l d ) 、 应答区域( a c kf i e l d ) 、帧结尾( e n do f f r a m e ) 。其结构如图2 5 所示。 图2 5 数据帧结构 帧起始仲裁区域控制区域数据区域c r c 区域a c k 区域帧结束图2 2 数据帧结 9 第二章基于c a n 总线的石英传感器的理论研究 构 1 ) 帧起始 它标志数据帧或远程帧的起始，由一个单独的“显性”位组成。只在总线空闲 时，才允许节点发送信号。所有节点必须同步于首先开始发送信息的节点的帧起始 前沿。 2 ) 仲裁区域 仲裁区域包括识别符( i d ) 和远程发送请求位( i 汀r ) 。 识别符( i d ) ：识别符的长度为1 l 位或2 9 位。在本系统使用的c a n 2 0 b 协议 中，报文分为标准帧( 1 l 位) 和扩展帧( 2 9 位) 两种格式。当为标准帧时，这些 位的发送顺序是从i d 1 0 到i d 0 。最低位是i d 0 。最高的7 位( i d 1 0 到i d 一4 ) 必 须不能全是“隐性”。扩展帧的报文结构与标准帧相似，不同之处是所使用的仲裁 区域的长度，仲裁区域由已存在的ll b i t 基本仲裁区域和1 8 b i t 扩展仲裁区域组成。 标准帧与扩展帧的不同还来自于对标识符扩展( i d e ) 位的使用，当其位于r t r 位之后且为显性时，则报文作为标准帧来发送，而当其位于r t r 位之前且为隐性 时则报文作为扩展帧来发送。当两种格式的报文同时出现在总线上时，并且它们具 有相同的确认区或基本确认区，那判断报文优先级的方法通常为：标准帧的报文总 是比扩展帧的报文优先级高。支持扩展帧格式的c a n 控制器( c a nc o n t r o l l e r ) 同 样也能发送和接收标准帧，当仅仅支持标准帧的c a n 控制器被用在网络上时，则 只有标准帧能在整个网络上传送，扩展帧将不能被识别，但是会被当作标准帧处理。 3 ) 控制区域 r t r 位：该位在数据帧里必须为“显性”，而在远程帧里必须为“隐性”。 表2 1 由d l c 表示的数据字节数目编码 数据字节数目 d l c d l c 3 d l c 2 d l c ld l c o oo0oo l00 o l 2 oo 1o 3 0 oll 40 100 5 o1 ol 60llo 70lll 8l0o0 控制区域由6 位组成，包括数据长度代码和两个将来作为扩展用的保留位。所 l o 第一二章基于c a n 总线的石英传感器的理论研究 发送的保留位必须为“显性”。接收器接收所有由“显性”和“隐性”组合在一起 的位。 数据长度代码( d l c ) ：数据长度代码指示了数据场中字节数量。数据长度代 码由4 位构成，数据帧允许数据字节数目范围为0 到一8 ，具体分配如表2 1 表所示。 4 ) 数据区域 数据区域由数据帧中的发送数据组成。它可以为0 - - 8 个字节，每字节包含了8 个位，首先发送最高有效位。 5 ) c r c 区域 c r c 区域包括c r c 序列( c r cs e q u e n c e ) ，其后是c r c 界定符( c r c d e l i m i t e r ) 。 c r c 序列：由循环冗余码求得的帧检查序列最适用于位数低于1 2 7 位( b c h 码) 的帧。为进行c r c 计算，被除的多项式系数由无填充位流给定，组成这些位 流的成分是：帧起始、仲裁场、控制场、数据场( 假如有) ，而1 5 个最低位的系数 是0 。将此多项式被下面的多项式发生器除( 其系数以2 为模) ： x 1 5 + x 1 4 + x 1 5 + x 1 0 + x 8 + x 7 + x 4 + ( 3 + l ( 2 8 ) 这个多项式除法的余数就是发送到总线上的c r c 序列( c r cs e q u e n c e ) 。 为了实现这个功能，可以使用1 5 位的位移寄存器c r cr g ( 1 4 ：0 ) 。如果用n x t b i t 标记指示位流的下一位，它由从帧的起始到数据区域末尾都由无填充的位序列给 定。 在传送或接收完数据区域的最后一位以后，c r c r g 包含有c r c 序列。c r c 序列之后是c r c 界定符，它包含一个单独的“隐性 位。 6 ) 应答区域 应答区域长度为2 个位，包含应答间隙( a c ks l o t ) 和应答界定符 ( a c k d e l i m i t e r ) 。在应答场里，发送节点发送两个“隐性”位。当接收器正确 地接收到有效的报文，接收器就会在应答间隙( a c ks l o t ) 期间( 发送a c k 信 号) 向发送器发送一“显性”的位以示应答。 应答间隙：所有接收到匹配c r c 序列( c r cs e q u e n c e ) 的节点会在应答间 隙( a c ks l o t ) 期间用一“显性”的位写入发送器的“隐性”位来作出回答。 a c k 界定符：a c k 界定符是a c k 区域的第二个位，并且是一个必须为“隐性” 的位。因此，应答间隙( a c ks l o t ) 被两个“隐性 的位所包围，也就是c r c 界定符( c r cd e l i m i t e r ) 和a c k 界定符( a c kd e l i m i t e r ) 。 7 ) 帧结尾 每一个数据帧或远程帧均可由一标志序列界定。这个标志序列由7 个“隐性 位组成。 第一二章基于c a n 总线的石英传感器的理论研究 ( 3 ) 远程帧 通过发送远程帧，作为某数据接收器的节点可以通过初始化其资源节点来传送 不 同的数据。 远程帧标识符格式与数据帧标识符格式基本相同，只是不存在数据区域。并且 远程帧的r t r 位是“隐性”的。因为它没有数据区域，所以数据长度代码的数值 是不受制约的( 可以标注为容许范围里o 到8 的任何数值) ，此数值对应于数据帧 的数据长度代码。其结构如图2 6 所示。 图2 6 远程帧结构 ( 4 ) 错误帧 错误帧由两个不同的区域组成。第一个区域用不同节点提供的错误标志 ( e r r o rf l a g ) 叠加而成。第二个区域是错误界定符。如图2 7 所示。 图2 7 错误帧结构 有两种形式的错误标志，主动错误标志( a c t i v ee r r o rf l a g ) 和被动错误标志 ( p a s s i v ee r r o rf l a g ) 。 主动错误标志由6 个连续的“显性位组成。被动错误标志由6 个连续的“隐 性的位组成，错误标志的形式破坏了从帧起始到c r c 界定符的位填充规则，或 者破坏了应答区域的固定形式。所有其他的节点由此检测到错误条件并与此同时开 始发送错误标志。 ( 5 ) 过载帧 过载帧包括两个位域：过载标志和过载界定符。其结构如图2 8 所示。 一 过载帧 一 e ：i 帧结束或过载界定符或错误界定符 过载标志过载界定符帧间空间或超载帧 _ 图2 8 过载帧结构 1 2 第二章基于c a n 总线的石英传感器的理论研究 有三种过载的情况，这三种情况都会引发过载标志的传送： 1 接收器的内部情况( 此接收器对于下一数据帧或远程帧需要有一延时) 。 2 在间歇的第一和第二字节检测到一个“显性 位。 3 如果c a n 节点在错误界定符或过载界定符的第8 位( 最后一位) 采样到一个 显性位，节点会发送一个过载帧( 不是错误帧) 。错误计数器不会增加。 根据过载情况l 而引发的过载帧只允许起始于所期望的间歇的第一个位时间， 而根据情况2 和情况3 引发的过载帧应起始于所检测到“显性”位之后的位。通常 为了延时下一个数据帧或远程帧，两种过载帧均可产生。另外，数据帧和远程帧同 前述的任何帧( 数据帧、远程帧、出错帧、超载帧) 以称之为帧间空间的位区域隔 开。与此相反，超载帧和错误帧前面不存在帧间空间，并且多个超载帧之间也不用 帧间空间分隔。 2 2 1 5c a n 总线编码方式 c a n 总线报文中的位流按照非归零( n r z ) 码方式编码，因此一个完整位的电平 只可能为两种互补逻辑数值之一：“显性”或“隐性”。“显性 ( “d o m i n a n t ) 数值 表示逻辑“o ”，而“隐性”( “r e c e s s i v e ) 表示逻辑“l ”。但需要注意的是，当“显 性”和“隐性”位流同时发送时，最后总线数值将为显性”，这也是c a n 总线故 障界定和错误检测的根本依据。在“隐性”状态下，v c a n h 和v c a n l 被固定 于平均电压电平附近，大约为2 5 v 左右，差分电平v d i f f 近似为0 。在总线空闲或 “隐性 位期间，发送“隐性 状态。“显性”状态则以大于最小阈值的差分电压 表示，v d i f f 近似为2 v 。在“显性”位期间，“显性”状态改写“隐性”状态并发送。 总线编码的数值表示如图2 9 所示。 u ( v 3 5 2 5 平均电压电平 1 5 0 图2 9 总线编码的数值表示 2 2 1 6c a n 总线仲裁方式 由于c a n 总线是一种多主型总线，总线上任一节点都有可能作为主节点向总 1 3 第一二章基于c a n 总线的石英传感器的理论研究 线发送报文，因此就有可能出现几个节点同时向总线发送报文的情况。 由于c a n 总线并未定义节点地址，因此在这种情况下，c a n 总线基于“多主 竞争总线仲裁”的原理，依靠报文的优先级进行取舍。报文的优先级体现在写入报 文识别符( i d ) 区的二进制数值，该值不能被动态的改变。在同一系统中标识符定 义是唯一的，不会出现两个节点发送具有相同标识符报文的情况。i d 中的值越小， 其报文的优先级越高( 也就是0 比1 的优先级高) ，在冲突中越容易获得网络访问 权，因此在进行网络介质访问仲裁的同时已经开始了报文的传输。 例如，节点a 发出的报文标识符为0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 ，节点b 发出的为0 1 0 0 0 1 0 1 0 1l ， 前三位相同，不存在冲突，而第四位节点b 为o ，是显性位，将覆盖掉节点a 的第 四位。这样，b 节点就完全取得了介质访问权，a 节点转为接收方，以后介质上传 输的就是b 节点发出的数据。总线中的信号持续跟踪最后获得总线控制权的节点所 发出的报文。这种非破坏性的位仲裁方式的优点在于，在网络最终确定哪一个节点 的报文被传送以前，报文的起始部分已经在网络上传送了。所有未获得总线控制权的 节点都成为具有最高优先权的节点所发送报文的接收节点，并且不会在总线再次空 闲前发送报文。 基于这种优点，用户可以很容易的增加一个新的节点到一个已经存在的c a n 总线网络中，而不用对已经存在的节点进行任何硬件或软件上的修改，但必须注意 的是，此新增的节点应为完全的接收者，这样它才不会对网络上各节点的通讯产生 影响。 2 2 2 片上c a n 总线控制器设计 2 2 2 1c a n 总线网络结构 c 8 0 5 1 f 0 4 x 系列器件具有控制器局域网( c a n ) 控制器，用c a n 协议进行串 行通信。s i l i c o nl a b sc a n 控制器符合b o s c h 规范2 0 a ( 基本c a n ) 和2 0 b ( 全 功能c a n ) ，方便了在c a n 网络上的通信。c a n 控制器包含一个c a n 核、消息 r a m ( 独立于c i p 5 1 的r a m ) 、消息处理状态机和控制寄存器。图2 1 0 给出了 c a n 总线上的一个典型结构示意图。 1 4 第一二章基于c a n 总线的石英传感器的理论研究 r 陶2 1 0c a n 总结结构不慈图 s i l i c o nl a bc a n 的工作位速率可达1 m 位秒，实际速率可能受c a n 总线上 所选择的传输数据的物理层的限制。c a n 处理器有3 2 个消息对象，可以被配置为 发送或接收数据。输入数据、消息对象及其标识掩码存储在c a n 消息r a m 中。 所有数据发送和接收过滤的协议处理全部由c a n 控制器完成，不用c i p 5 l 干预。 这就使得用于c a n 通信的c p u 带宽最小。c i p 5 1 通过特殊功能寄存器配置c a n 控制器，读取接收到的数据和写入待发送的数据。 2 2 2 2b o s c hc a n 控制器操作 c 8 0 5 1 f 0 4 x 系列器件中的c a n 控制器是b o s c h 全功能c a n 模块的完全实 现，完全符合c a n 规范2 0 b 。c a n 控制器的原理框图示于图2 1 l 。c a n 核提供 移位( c a n t x 和c a n r x ) 、消息的串并转换及其它与协议相关的任务( 如数据 发送和接收过滤) 。消息r a m 可存储3 2 个可以在c a n 网络上接收和发送消息对 象。c a n 寄存器和消息处理器为c a n 控制器和c i p 5 1 之间的数据传送和状态通 知提供接口。 初始化c a n 控制器的一般步骤如下： 1 将s f 砌) a g e 寄存器设置为c a n 0p a g e 。 2 将c a n o c n 寄存器中的i n i t 和c c e 位设置为l 。 3 设置位定时寄存器和b r p 扩展寄存器中的时序参数。 4 初始化每个消息对象或将其m s g v a l 位设置为n o t v a l i d ( 无效) 。 5 将i t 位清o 。 c i p 5 1 可以通过特殊功能寄存器直接或间接访问c a n 控制器中的c a n 控制 寄存器( c a n o c n ) 、c a n 测试寄存器( c a n o t s t ) 和c a n 状态寄存器 ( c a n o s t a ) 。所有其它c a n 寄存器必须通过间接索引法访问。 第= 章基十c a n 总线的石英传感的理论研究 图2 1 】c a n 控制器原理框图 ( 1 ) c a n 控制器时序 c a n 控制器的系统时钟( ，；) 来自c l p 5 1 的系统时钟( s y s c l k ) 。注意： 由于c a n 通信的高精度要求，一般需要使用外部振荡器( 如石英晶体) 。 本例说明如何配置c a n 控制器的时序参数来满足1 m 位秒的位速率。表22 给出了进行计算所需要的与时序相关的系统参数。 表2 2 几1 主要参数 参数数值说明 单片机系统时钟2 2 1 1 8 4 z 外部振荡器配置为晶体振荡器方式。2 21 1 8 4 ( s y s c l k ) m h z 石英晶体接在x t a l l 和x t a l 2 之 间。 c