CAN总线智能适配卡的设计
2008-07-29
作者：郭继坤,李 辉
摘 要： 采用P80C592FFA作为CAN控制芯片,使用CY7C0944PV-AC作为双端口存储器，并使用PCA82C250作为CAN控制器接口芯片，设计了CAN总线智能适配" title="适配">适配卡，提高了CAN总线适配卡的传输能力。针对CAN总线在特殊环境下容易受到外界干扰的弱点，使用6N137进行信号隔离" title="信号隔离">信号隔离，使该适配卡达到了本安型标准。
关键词： CAN总线 智能适配卡" title="智能适配卡">智能适配卡 信号隔离
CAN[1]（Controller Area Network）总线最初是由德国BOSCH公司为汽车检测与控制系统而设计的。由于其显著的特点，其应用范围越来越广，已扩大到过程控制、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域。目前，在国际上CAN总线已经成为控制领域的热点，但CAN总线在矿井下等特殊环境下的应用还没有进行系统的研究。本文针对矿井下这种特殊环境设计了本安型CAN总线智能节点适配卡，为CAN总线在矿井下等一些比较恶劣环境下的应用提供了可靠的保证。
1 硬件结构
1.1适配卡的功能
CAN总线与PC机的连接方法有两种[2～3]：①通过一个转换器与PC机的串行口连接。该种方式设计简单，但数据转发速度较慢。②在PC机的扩展槽里插入一块适配卡。由于使用适配卡所交换的数据量较大，比较适合CAN总线的需求，所以近年来大多使用适配卡的方式。适配卡既可以对数据起到转发的作用，即收集CAN总线上各个节点的数据，转发给上位机，并把上位机的命令和数据发给各节点，也可以完成对CAN总线上的用户系统的部分监控和管理工作，故又被称为智能适配卡。它可以减轻上位机的负担，提高系统的实时性。这种适配卡需要的硬件条件较高，且需要较多的程序存储器和数据存储器。作者研制的就是这种智能适配卡。
1.2 智能适配卡的硬件组成
目前广泛流行的CAN总线器件分为两大类：一类是独立的CAN控制器，如PHILIPS公司的82c200、SJA1000及Intel公司的82526/82527等；另一类是带有在片CAN总线的微控制器，如P8xc582、P80C592FFA等。根据矿井下实际情况的需要，设计了如图1所示的CAN总线智能适配卡。它采用P80C592FFA作为CAN控制芯片；使用CY7C0944PV-AC作为双端口存储器；使用PCA82C250作为CAN控制器接口芯片。硬件电路中使用PCA82C250的目的是为了增大通信距离，提高系统的瞬间抗干扰能力。因为该智能适配卡是在矿井下应用，还必须具有防暴功能，因此使用6N137进行信号隔离（如图2所示）。
在图1中，82C250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CAN模块接收缓冲区中的数据，把它传送到CY7C09449的双口" title="双口">双口RAM中。最后PC机通过PCI总线定时读取CY7C09449双口RAM中的数据。中断申请电路是为保证PC机和适配卡上的微控制器之间能实时响应对方处理要求而设置的。中断申请电路由两个D触发器和一个用来译码的GAL芯片组成。两边的工作方式相同。
设计中考虑到便于电路调试和处理整体运行时出现的问题，选择三种复位方式[1][5]。其硬件构成如图3所示。
（1）上电复位：与PC机上" title="机上">机上电复位同时复位。当PC机通电复位时，CAN适配卡也同时复位。
（2）手动复位：当调试中出现问题时，通过手动复位键复位，以便解决调试中出现的问题。
（3）软件复位：在程序运行中出现问题时，不需要关掉PC机，只需启动PC机管理程序中的初始化功能模块即可，它可通过软件指令对CAN适配卡进行复位。
硬件电路设计并不很困难，但也要注意一些事项，否则会事倍功半，功亏一篑。
（1）地线的设计应特别注意，为了减少噪声，模拟信号的地线和数字信号的地线应该分开。
（2）该适配卡的防暴技术主要采用电器隔离技术，同时采用本质安全技术，通过抑制电火花和热效应能量来防爆。电器设备的最大功率不应超过25W，对于5V电源的设备，它的功率一般要远远低于25 W。开关触电开闭时的放电也应注意，要减少电路的储能器件（如电感和电容），一般要求最大电容小于5μF，最大电感小于20μH。
2 软件接口设计[4]
接口软件设计包括单片机上的汇编程序设计和PC机上的设备驱动程序设计。两者的纽带是CY7C09449上的双口RAM。
这个双口RAM共有16KB的共享空间0x4000H~0x7FFFH，为了编程方便，把它分成两部分。0x4000H~0x5FFFH为发送帧空间，0x6000～0x7FFFH为接收帧空间。0x4E8是主机对本地处理器的邮箱HLDATA的地址，0x4F8是本地处理器对主机的邮箱LHDATA的地址，如图4所示。对于主机，这些地址都是偏移地址，还得加上PCI配置寄存器ABAR0中的值才是真正的物理地址。
HLDATA和LHDATA的用法分别如图5和图6所示。把发送空间和接收空间设计成两个循环队列，分别用两个指针来控制。发送空间和接收空间都是8K、13位的地址，指针是它们的高8位，第5位为0。每个指针空间为32个字节，每帧10 个字节，有22 个字节是浪费的空间。由于已接收帧的地址和欲接收帧的地址不等，所以P80C592就需要发送帧。主机每接收一个帧，已接收帧地址加1，每发送一个帧，欲发送帧地址加1。P80C592每接收一个帧，欲接收帧地址加1，每发送一个帧，已发送帧地址加1。
CAN总线具有许多优点，尤其是它的实时传输特性好，受到用户的欢迎。但它的抗干扰性、防暴性能较差。本文设计的CAN总线适配卡使用信号隔离和本质安全技术，很好地解决了这一问题，使CAN总线应用范围更加广泛，更能适应现场的要求。
参考文献
1 邬宽明. CAN总线原理与应用系统设计.北京： 北京航空航天大学出版社，1996（8）：34～45
2 蒋建文，林 勇，韩江洪. CAN总线通信协议的分析和实现.计算机工程, 2002（2）:219～220
3 成继勋，欧青立. CAN总线PC智能卡的研制. 自动化仪表，1999（7）:9～11
4 周凤余，鲁守银. CAN总线系统智能节点设计与实现. 微计算机信息，1999（6）:9～10
5 Gianluca Cena,AdrianoValenzano. FastCAN:A High-Performance Enhanced CAN-Like Network .IEEE Transactions on Industrial Electronics,2000;47(4): 951～952