CAN总线隔离器的设计与应用

1 引言
    CAN(Controller Area Network)，即控制器局域网，是应用最广泛的现场总线之一，CAN总线以其实时性强，可靠性高，结构简单，互操作性好，价格低廉等优点，可应用于高速网络和低成本的线路网络。这里提出一种CAN总线隔离器的通讯系统，将其应用于某飞行器到地面的通讯网络，实现飞行器和地面的速度隔离，从而使飞行器和地面之间能够稳定实时通信。该系统设计在分析CAN总线2．0B协议的基础上，采用结构化方法独立设计飞行器和地面双方的通信协议。底层模块的硬件设计是以C8051F040高速型单片机为核心，其内部集成CAN协议控制器，因而只需增加CAN收发器就可实现CAN智能节点设计，比传统的由单片机与CAN协议控制器共同组成的CAN节点更简单，可靠，易操作。而CAN总线应用层协议由用户自行定义编写，使其更符合该系统设计要求。目前整个系统运行良好，性能稳定，通信冗余度好，符合工业现场使用要求。

2 基于C8051F040的CAN智能节点设计
    图1是基于C8051F040的CAN总线硬件接口原理电路图。通过C8051F040内部所集成的CAN控制器，为了增强系统的抗十扰能力，在CAN控制器与TJA1040之间接入光电耦合器6N137，从而实现TJA1040与外界CAN通信。事实上，集成收发器TJA1040本身具有瞬间抗干扰能力，可保护总线，降低射频干扰，以实现热保护功能。因此，在干扰不严重的廊用场合，无需增加光电隔离，使得系统达到最大通信速率或距离。如果使用光电隔离器，应尽量选用高速光电隔离器，以减少CAN总线有效回路信号传输的延时时间。由于CAN隔离器需通过CAN总线采集输入输出模块的数据信息，干扰较大，为了系统的稳定可靠性，需加光电隔离器。通过CAN2．0B兼容CAN2．0A协议的连接通讯测试，光电耦合器6N137上升时间为30 ns(典型值)，隔离电压为3 000 V，其支持最大频率值超过30 MHz。

账   为实现系统的稳定可靠性，该系统设计采用冗余设计，利用双通道光耦HCPL2631隔离并产生控制信号，控制两个单刀双掷开关MAX4635，从而实现CAN智能节点的切换。

3 CAN总线隔离器设计
    该系统设计的CAN总线隔离主要由发送和接收两部分组成。发送和接收部分都由数据指令配置、数据处理和数据传输3个单元组成，如图2所示。其中发送部分：上位机指令配置完后，通过FPGA传输给单片机，单片机利用自身所带的CAN总线，经隔离处理后到达总线驱动器，然后通过CAN总线输出数据。而接收部分正好相反。该系统设计将飞行器速度设置为500 kHz，地面速度设置为50 km／s，从而更好模拟飞行器和地面的通信。

4 隔离器收发双方通信协议
    总线隔离器分为飞行器高速接口和地面低速接口两部分，要求隔离器能通过所有地面上行到飞行器的数据。本系统CAN总线采用主从方式，所有总线数据统一采用数据帧，不用远程帧，数据长度最大为8字节，最小为0字节。根据数据链路层协议，仲裁场标准标识符共11位(ID1O~ID0)，系统通过标识符确定数据传输的优先级。本协议规定，ID除表示优先级外，还是数据接收目的节点、数据发送源节点与数据类型。具体说明11位ID：ID[1](ID的0～3位)为数据接收目的节点；ID[2](ID的4~7位)为数据发送的源节点；ID[3](ID的8~10位)为数据类型。
    本协议中，飞行器系统和地面系统都有3个节点，节点编号和ID号如表1所示。

5 CAN隔离器的软件设计
5．1 CAN总线初始化
    CAN总线初始化包括：I／O的配置、外部晶体振荡器的配置、CAN总线的开闭、发送和接收初始化。初始化程序如下：
    void initial_can(unsigned char MsgNum，unsignedl int id)
    {SFRPAGE=CONFIG_PAGE；

5．2 发送和接收程序
    CAN报文发送是由CAN控制器自动完成，用户只需根据接收到的数据帧的识别符，将对应的数据转移到发送缓冲寄存器，然后将此报文对象的编码写入命令请求寄存器启动发送即可，而发送由硬件完成。这里使用定时更新发送报文对象中的数据，发送数据由控制器自动完成，当收到一个数据帧时，可将具有相同识别符的数据帧发送出去。其发送程序代码如下：

    
    CAN报文的接收与发送相同，由CAN控制器自动完成，接收程序只需从接收缓存器中读取所接收的数据，再进行相应处理。其方法与发送程序基本一致，这里不再赘述。

6 关键技术设计分析
6．1 冗余设计
    工业控制现场状况复杂，因外力所致的电缆接触故障率远远高于节点的故障率，一旦电缆发生故障，总线就会失去通信能力，并导致系统瘫痪，对工控系统的健壮性构成威胁。解决这一故障最简单、有效的办法是对故障率较高的物理介质进行冗余设计。即使用2条总线电缆、2个CAN总线收发器，但只用1个总线控制器。仲裁电路自动监测总线状态，并自适应选择正常的电缆完成通信任务。发生电缆故障时，设备自动报警，提醒工作人员进行检修。检修过程中，设备使用备用电缆继续工作。电缆冗余设计可实现与通常的CAN总线通讯系统代码级兼容。仲裁电路设置于总线控制器与2个总线收发器之间，监测CAN总线电缆状态，实现自适应切换和报警。设备向其他节点发送报文时，总线控制器向2条总线同时发送相同的报文；而接收报文时，仲裁电路在无电缆故障时，一直使用总线1(主总线)进行报文接收。如果总线2(从总线)出现故障，故障监测电路就向主控计算机发出中断信号报故障，同时处于正常状态的总线1仍承担正常通讯任务；如果总线1出现故障，故障监测电路在向主控计算机发出中断信号的同时，自动切换成总线2，以保证设备正常工作。总线切换动作只会出现在正在使用的电缆发生故障时，这样可提高通讯的稳定性，降低应答失败的几率。
6．2 接收数据时ID不滤波的实现
    在CAN总线的接收过程中，一般实现的都是发送ID和接收ID相匹配的方式，也就是说在接收方要进行接收，而ID滤波，而本设计实现任意接收方式，只要有数据就开始接收不进行ID号的滤波，这样可更好进行测试，例如某个设备所携带的ID号，由于各种原因与接收方所接收的ID不匹配，这样就可判断出所发设备可能收到干扰，或者所发设备自身出现了问题。这种ID号不过滤的方法主要通过对接收设备的命令请求寄存器、消息掩码寄存器、仲裁寄存器、消息控制寄存器和命令掩码寄存器的设置来实现。其实现程序如下：

7 结论
    本文提出一种CAN总线隔离器的实现方案。利用具有CAN总线控制器的C8051F系列单片机实现了CAN智能节点，增加CAN节点的冗余设计，提高通讯的稳定性，降低应答失败的几率；实现不滤波的CAN数据接收，可更好测试系统的可靠性和监测功能，当接收到不是已知设备发来的消息时，能够准确定位设备故障的位置。此方案实现的CAN总线隔离器已成功应用于某型号飞行器的地面测试台中，经测试和调试后，系统工作稳定，达到设计要求。并且由于采用内嵌的CAN总线控制器，可为以后的系统升级预留大量空间。