CAN总线在某平台控制系统中的应用

张福建，周 晖，汪 湛

（中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏扬州 225001）

0 引言

控制器局域网络CAN(Controller Area Network)是20世纪80年代初研制成功的一种现场总线，其最初主要是为汽车监测、控制系统而设计的。CAN总线采用差分驱动，可在高噪声干扰的环境中使用，且具有较强的纠错能力等，加之其性能好、成本低、灵活的特点，已在广泛的领域得到应用。

1 CAN总线的特点与优势[1]

CAN总线采用双绞线，通信速率块，支持设备多（最多110个）[2]；废除传统的站地址编码，多主从方式工作；采用短帧结构，不易受干扰影响；采用CRC校验提高数据传输可靠性，抗干扰能力强；采用仲裁技术，区分节点优先级，有效避免总线冲突。

2 CAN总线在实际中的应用

某控制系统基本结构框图如图1所示。

其中，平台控制板与A、M轴驱动器板之间有大量的数据传输。系统要求A、M轴驱动器板以3 k的频率向平台控制板传送A、M轴电机瞬时的转速和位置数据（均为16位二进制数据），而平台控制板在接收到相应信息后，进行解算，并以相同的3 k频率分别向A、M轴驱动器给出16位速度指令，同时要把解算出的由于A、M轴的运动造成对方位轴速度和位置的扰动实时地传给方位控制板（A轴、M轴、方位电机是依次自下往上按一定角度叠加在一块的）。

图1 某控制系统结构框图

方位驱动板以3 k的频率向方位控制板传送方位电机的瞬时速度和位置量。方位控制板根据平台控制板和方位驱动板送来的数据解算出对方位电机的速度指令，并以3 k的频率发送给方位驱动板。这就对控制板和驱动板之间的通讯提出了很高的要求。因此在本系统中决定采用CAN总线通讯方式。

2.1 基于CAN总线接口硬件电路的设计[3]

本系统中采用PC104总线的嵌入式控制系统，因此CAN总线的硬件电路主要包括PC104总线模块、双口RAM控制电路、80C592单片机、光电隔离电路、82C251芯片、保护电路等。CAN控制器完成CAN通信协议；总线收发器调节电平，增大通信距离；光电隔离电路以及后面保护电路实现控制器与收发器及总线的物理隔离，保护器件[4]。

CAN总线接口框图如图2所示。

图2 CAN总线框图

（1）工作原理

驱动板把数据传到CAN总线上，控制板上的82C251接收总线上所有传输的帧，通过电流和电压隔离后，传送到P80C592的CAN模块，CAN模块比较接收码寄存器和帧的ID码，若相等则接收，并引发一个接收中断。在接收中断的处理中，P80C592读取码CAN模块接收缓冲区的数据，把它传送到CY7C09449的双口RAM中，并触发PC104模块的接受中断，PC104模块在中断中读取CY7C09449双口RAM中的数据，并根据数据的ID码来区分是从哪块驱动板来的数据加以处理。反之，PC104模块把计算出的指令，根据对象的不同，加上ID码组成数据，写入CY7C09449并触发单片机P80C592中断，单片机从双口RAM中读出改数据，再传送到内部的CAN模块，CAN模块把数据传给82C251，再由82C251把数据传到CAN总线上，由相应的驱动板接收[5]。

CAN控制器和总线上设备的交互与其控制段、发送缓冲层、接收缓冲层密切相关，其验收码寄存器的验收码位(AC.7～AC.0)和报文标识符的最高8位(ID.10～ID.3)必须等于由验收屏蔽位(AM.7～AM.0)屏蔽的那些位。若满足下列等式，则予以验收：

[(ID.10～ID.3) =(AC.7～AC.0)] OR (AM.7～AM.0) =11111111B

（2）具体保护电路及措施

光电隔离：利用光耦器件实现CAN控制器与收发器的物理隔离，实现保护。

电容滤波：CANH和CANL与地之间接30 pF的电容滤除总线上的高频干扰，抑制电磁辐射。

TVS管保护：在CANH与CANL之间以及CANH、CANL与地之间分别接上一个6.8 V的瞬态电压抑制二极管（TVS），防止瞬间的差模以及共模电压损坏电路。正常工作状态下，瞬态抑制二极管工作在反向偏置状态，相当于开路；当产生较高的瞬态电压时，瞬态抑制二极管的阻抗瞬间降到很低，为大电流提供一个额外通路，同时将电压钳位至正常电压[6]。

PPTC电阻：TVS管后连接PPTC电阻（自恢复保险丝），正常工作状态下阻抗很小，相当于通路；当电流过大时，PPTC电阻内部熔断，阻抗变大，将电流降至安全范围内，以此实现对总线的限流保护。

2.2 基于CAN总线接口软件设计

软件采用汇编语言编写，具体的流程如图3～图6所示。

图3 主程序框图

图4 CAN模块初始化框图

图5 接受中断程序框图

图6 发送中断程序框图

3 结束语

本文设计的CAN总线接口目前已经在该控制系统中实际使用，完全符合系统工作要求，运行良好，具有良好的电磁防护和抗干扰能力。CAN总线技术在伺服控制中的应用前景，能在可靠性、高精度、经济性等多方面获得最大的效益；以工业标准PC/104为代表的嵌入式控制系统具有突出的优点，十分适合于工业环境的要求。