CAN總線與一般的串行通信總線相比，它的數據通信具有可靠性高，實時性高，靈活性強等優點，不僅廣泛應用于汽車行業，而且擴展到了機械工業、機器人、數控機床等諸多領域。尤其在大量數據通信處理中，高可靠性及實時響應的場合，單通道CAN總線不能滿足實際通信的要求。為此，介紹一種基于多通道實時CAN模擬器的設計方案。

　　1 CAN總線技術介紹

　　1.1 CAN總線特性

　　CAN(Controller Area Network)總線是一種串行多主站控制器局域網總線。它具有很高的網絡安全性、通信可靠性和實時性，并且簡單實用，網絡成本低。它主要用于各種過程監測及控制的一種網絡。CAN最初是由德國BOSCH公司為汽車的監測、控制系統而設計的。由于CAN總線具有卓越的特性和極高的可靠性，特別適合于工業過程中監控設備的互連。

　　1.2 CAN通信協議

　　在CAN 2.0B的版本協議中有兩種不同的幀格式，不同之處為標識符域的長度不同，含有11位標識符的幀稱為標準幀，而含有29位標識符的幀稱為擴展幀。擴展格式是CAN 2.0B協議新增加的特性。在報文傳輸時，不同的幀具有不同的傳輸結構，只有嚴格按照該結構進行幀的傳輸，才能被節點正確接收和發送。下面將分別介紹四種傳輸幀的結構：

　　(1)數據幀(Data)：數據幀將數據從發送器傳輸到接收器。CAN協議有兩種數據幀類型標準2.0A和標準2.0B。兩者本質的不同在于ID的長度不同。在2.0A類型中，ID的長度為11位;在2.0B類型中，ID的長度為29位。它由7個域組成：幀起始、仲裁域、控制域、數據域、CRC校驗碼域、應答域、幀結束。

　　(2)遠程幀(Remote)：總線單元發出遠程幀，請求發送具有同一標識符的數據幀。接收數據的節點可通過發遠程幀請求源節點發送數據。它由6個域組成：幀起始、仲裁域、控制域、校驗域、應答域、幀結束。

　　(3)錯誤幀(Error)：任何單元檢測到總線錯誤就發出錯誤幀。由錯誤標志和錯誤分界兩個域組成。接收節點發現總線上的報文有誤時，將自動發出“活動錯誤標志”，其他節點檢測到活動錯誤標志后發送“錯誤認可標志”。

　　(4)過載幀(Overload)：過載幀用在相鄰數據幀或遠程幀之間提供附加的延時。由超載標志和超載分隔符組成。超載幀只能在一個幀結束后開始。當接收方在接收下一幀之前，需要過多的時間處理當前的數據，或在幀間空隙域檢測到顯性電平時，則導致發送超載幀。

　　1.3 CAN協議控制器

　　目前主流的CAN協議控制器一般采用I/O總線(SJA1000等)或SPI接口(M(2P2515等)與處理器進行通信。該設計采用SJA1000控制器。

　　SJA1000是一款獨立CAN控制器，應用于移動目標和工業局域網控制領域。SJA1000具有兩種工作模式：BasicCAN和PeliCAN。該設計采用PeliCAN工作模式。SJA1000用來完成CAN協議所規定的物理層和數據鏈路層的所有功能，它可以支持多種處理器的時序特性，如Intel模式或Motorola模式，與微處理器的接口非常簡單，微處理器以訪問外部存儲器的方式來訪問SJA1000。

　　SJA1000通過CAN控制器接口即PCA82C250芯片接到CAN總線上。CAN收發器使用飛利浦公司的PCA82C250，它是連接CAN控制器和物理總線之間的接口，提供了對總線的差動發動和接收能力，與ISO11898標準完全兼容，有三種不同的工作方式即高速、斜率控制和待機，可根據實際情況選擇。硬件電路中使用PCA82C250是為了增加通信距離，提高系統的瞬間抗干擾能力，保護總線，降低干擾等。

　　2 系統設計

　　2.1 系統方案設計

　　根據通用計算機的總線分類，可采用基于ISA總線對多通道實時CAN總線模擬器進行研制，根據CAN總線通信原理可以提出以下兩種設計方案：

　　(1)ISA總線+CAN通信控制器;

　　(2)ISA總線+微處理器+CAN通信控制器。這兩種設計方案的不同點在于是否采用處理器來加強控制。

　　由于CAN總線通信要求實時性高，再加上多通道的設計滿足實際的需要，故采用單片機來負責CAN總線的通信功能。在這里主要介紹單片機與CAN控制器之間的設計部分，其系統設計框圖如圖1所示。

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　　單片機選用DALLAS公司的DS89C430，它是當前8051兼容微控制器中性能最高的。具有重新設計的處理器內核，在相同的晶振頻率下，執行指令的速度是最初8051微處理器的12倍。特性：高速8051架構，每個機器周期一個時鐘;片內存儲器16 KB/32 KB/64 KB閃存，在應用可編程，通過串口實現在系統可編程;與8051引腳和指令集兼容;四路雙向、8位I/O端口;三個16位定時器/計數器;256 B暫存RAM等特點。可根據實際應用的需要選擇其部分功能。隨著可編程邏輯器件的飛速發展，其應用領域不斷擴大，可用于譯碼、解碼等方面，使用CPLD可以提高系統集成度，降低噪聲，增強系統可靠性。因此，單片機與CAN控制器之間的鎖存、譯碼采用Xilinx公司XC95144CPLD芯片，優化了系統資源，降低了其功耗。

　　2.2 系統硬件設計

　　該部分由單片機、CAN控制器、CAN收發器、SRAM存儲器組成。單片機主要用于系統計算及信息處理等功能;CAN控制器主要用于系統通信;CAN收發器主要用于增強系統的驅動能力;SRAM主要用于緩存數據。系統的發送過程是：單片機將外圍設備傳送過來的信息處理后，按CAN規范規定的格式，將其寫入CAN控制器的發送緩沖區，并啟動發送命令，把數據發送到CAN總線上;接收過程是：CAN控制器從CAN總線上自動接收數據，并經過濾后存入CAN接收緩沖區，且向單片機發出中斷請求，此時單片機可從CAN接收緩沖區讀取要接收的數據。SJA1000提供的微處理器接口方式為典型INTEL或MOTOROLA地址數據多路復用總線模式。主要信號有地址數據信號AD7～AD0，地址選通信號ALE，片選信號CS，讀信號RD，寫信號WR，模式選擇信號MODE。當MODE=1時，為INTEL模式;當MODE=0時，為MOTOROLA模式。后面描述的總線模式均為INTEL模式。AD7～AD0引腳在ALE有效時，傳送的是地址信號，在RD或WR有效時，傳輸的是數據信號，在這里分別與單片機的PO口相連，RD，WR信號線分別與單片機的讀/寫信號線相連。具體方案如圖2所示。限于篇幅限制，虛線內給出1路CAN的連接圖，2路CAN有同樣的連接方法。

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　　SRAM和CAN控制器的片選信號。由于單片機可以查詢或中斷方式訪問，在此采用中斷方式進行CAN多通道選擇訪問，以滿足不同通信速率下數據處理的需要。SRAM的地址線與數據線是分開的，故采用74LS373鎖存器實現鎖存功能?？刹捎肵C95144CPLD芯片以及VHDL硬件描述語言以實現鎖存、譯碼等功能。

　　2.3 CPLD設計部分

　　2.3.1 結構設計

　　CPLD的輸入信號是單片機發送的信號，由高位地址A[15..8]、ALE鎖存信號、中斷信號以及寫/讀信號組成。地址線A14和A15經譯碼后作為片選信號，ALE實現低8位地址線的鎖存。實體和構造體部分代碼如下所示：

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　　2.3.2 仿真結果

　　該模塊在Xilinx ISE 9.1工具下進行綜合，并在結合ModelSim環境下進行功能仿真。其仿真結果如圖3所示。

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　　3 軟件設計

　　該系統軟件設計的關鍵是通信程序設計。通信軟件由三部分組成：單片機和CAN控制器的初始化程序、CAN發送程序、CAN接收程序。對于初始化程序，采用MAX232芯片對單片機進行在線編程，可同時對多通道CAN控制器初始化。對于CAN控制器的初始化程序，主要是通過對CAN控制器控制段中的寄存器寫入控制字，從而確定CAN控制器的工作方式等，即通過上電復位、硬件復位或軟件復位給CAN控制器發一個復位請求，便可進入初始化。在復位期間，對必需的寄存器進行設置。對于發送和接受程序，只需把到來的信息幀送到CAN的發送或接受緩沖區，同時啟動命令即可。二者可采用查詢方式或中斷方式，對于中斷方式，程序分為主程序和中斷服務程序兩部分設計。在具體項目中，需要軟硬件結合調試才能保證各部分的設計準確無誤，到達實際應用的要求。

　　4 結 語

　　在對CAN通信協議進行分析的基礎上，構建了一種多通道實時CAN總線模擬器架構，同時利用CPLD器件，通過功能仿真，驗證了設計方案的正確性。經實際工程項目使用，驗證了該設計方案切實可行，滿足了實際應用中高可靠性、高實時性以及傳輸速率較高的需求。