基于CAN总线实时令牌网的设计

赵 城，张 凯

（扬州大学 物理学院，江苏 扬州 225002）

工业测控设备和系统中长期使用的RS-232传输协议是一种并不完备的低数据速率传输协议，抗干扰性能差，难以组成大规模的网络系统。随着控制系统复杂性和规模的增加，如果采用传统的以太网组件构建网络拓扑，则实时性难以保证。CAN是一种造价低、出错概率低又适于现场环境通信的总线，本文在此基础上构建了一种实时的令牌传输网。

1 CAN总线概述

控制器局域网 CAN（Controller Area Net）是一种有效支持分布式控制的串行通信网络。CAN起初是由德国Bosch公司为汽车的监测、控制系统而设计的，由于其具有卓越的特性及极高的可靠性，后来渐渐应用于工业过程监控设备的互连。CAN总线只定义ISO/OSI模型中的第一层（物理层）和第二层（数据链路层）。CAN总线网络的物理拓扑如图1所示。

图1 CAN总线网络的物理拓扑

CAN总线主要的特点有：（1）采用差分传输，抗干扰性强；（2）采用短帧结构和 CRC校验等检错措施，出错概率低；（3）采用基于优先权的非破坏性总线仲裁技术，可工作于多主、一对一、一对多及全局广播方式传送接收数据；（4）通信距离随波特率而变，典型值为 10 km（5 kb/s）、40 m（1 Mb/s）。

2 令牌总线概述

令牌总线网络的逻辑拓扑如图2所示。所有连到令牌总线上的站，在逻辑上将构成一个首尾相连的环，每个站都知道自己的前导站（PS）和后继站（NS）。

令牌实际上是一个采用特殊编码的控制帧。网上只有一个令牌沿逻辑环传递，得到令牌的站才能发送数据，然后把令牌向下传。在正常运行时，令牌按照站点地址的序列号从一个站点传送到另外一个站点。这样，这个令牌实际上是按照逻辑环而不是物理环进行传递。在数字序列的最后一个站点将令牌返回到第一个站点。

图2 令牌总线网络的逻辑拓扑

3 基于CAN总线令牌网的拓扑结构

结合CAN总线数据链路层对帧的封装、差错的控制和令牌总线突出的实时性的优点，设计了一种基于CAN总线的实时令牌传输协议，基于此协议构建的网络拓扑如图3所示。

图3 基于CAN总线实时令牌网的拓扑结构

4 站点设计

图4是验证此协议的一个实际网络。主站由NXP LPC1769和收发器PCA82C250构成，从站由51单片机、SJA1000 CAN控制器和收发器PCA82C250构成。主站工作在滤波方式，即只有在标识符（ID）通过滤波后接收信息。从站工作在广播方式，即先接收总线上的信息再按照协议进行处理。主站的作用是收集从站发过来的信息并提交给主机及监视总线活动，当网络令牌丢失时，发送开机复位帧。从站的作用是获得令牌后，向主站或目的从站进行数据通信。

图4 实际验证网络

PCA82C250是专门用于CAN总线的收发器，可与独立CAN控制器组合使用，最高速率为1 Mb/s，还可根据Rs引脚调整3种工作模式。

SJA1000是NXP公司生产的独立CAN控制器，是早期PCA82C200的升级，支持收发11位标识符的标准帧和29位标识符的扩展帧，通过验收屏蔽寄存器和验收代码寄存器进行单次/双次滤波，能完成可靠的通信。

NXP LPC1769是基于ARM Cortex-M3的32位微控制器，工作频率可高达120 MHz。片上集成了双通道CAN 2.0B控制器，USB 2.0全速接口，4个可配置外部中断等。CAN的编程是以32位的方式进行的。在CAN的工程中，需要包含CAN的头文件，此文件包含了波特率、验收滤波器模式等定义以及各项CAN函数的声明。以下是一个CAN信息的定义：

在具体的CAN函数中，就可以用这个结构体去定义数据缓冲区，然后在主函数中进行数据缓冲区的初始化。

5 令牌传输协议设计

SJA1000扩展帧格式具有5个字节的描述符，本文将其进行重定义，如表1所示。帧类型如表2所示，其中前8个帧是控制帧，某些控制帧还会使用数据字节1。

表1 重定义CAN描述符区

表2 帧类型

站在不同的时间会发送不同的类型帧，其中环路的建立过程是指环的初始化或站的添加和删除过程。

令牌申请帧：硬件复位或收到开机复位帧的站，在总线空闲时发送，向总线申请令牌。

开机复位帧：令牌持有站发送完后继帧的目的站后，在一定的时间内监视不到总线活动时发送，通知环路站点环路严重出错，需要进行复位，重新组环。

请求后继帧：环路建立过程中由令牌持有站发送，通知未入环的站以设置后继帧响应令牌持有站的询问。

设置后继帧：环路建立过程中由未入环的站或出错站的后继站发送，用于添加或删除一个站。

闭环宣示帧：环路建立过程中令牌持有站发送完请求后继帧后，在一定的时间内监视不到总线活动时发送，通知环路站点环路已经建立，并由识别码3标示的目的站进行闭环操作：将此站的前导站PS设置为此帧的识别码2。

后继帧：令牌持有站发送完令牌帧后，在一定的时间内监视不到总线活动时发送，通知错误站的后继站以设置后继帧响应令牌持有站的询问。

入环申请帧：发生总线错误的站在总线恢复时，向令牌持有站申请成为其后继站。

令牌帧：令牌持有站收到设置后继帧或发送完数据帧时，将令牌传递给它的后继站时发送。

数据帧：令牌持有站有数据需要发送时，向目的站进行发送。

为实现协议，每个从站中都需定义一个站状态寄存器Station_State_Reg（SSR），其各位定义如图 5所示。

图5 站状态寄存器SSR的位定义

Station_State用于指示站状态，0表示站未入环，1表示站已入环，此位在硬件复位或收到开机复位帧时置1，总线出错时置0。Ring_State用于指示环的状态，0表示环未闭合，1表示环已闭合，此位在硬件复位、收到开机复位帧和总线出错时置0。Token_State用于指示站是否持有令牌，0表示未持有，1表示持有，此位在硬件复位或收到开机复位帧时置1，总线出错时置0。Frame ID用于指示当前/之前发送的帧类型，与帧类型字节的低4位相同，硬件复位或收到开机复位帧时置为令牌申请帧ID，总线错误时置为入环申请帧ID。

图6 仲裁中断、总线错误中断和单片机定时器中断处理流程

图7 接收中断处理流程

每个站设置3个站ID字节和一个临时存储字节Temp，它们在硬件复位、收到开机复位帧或总线出错时置为本站ID。PS记录前导站ID，NS记录后继站ID，TS记录本站ID。Temp对应于环建立过程中令牌帧的数据字节1：在环初始化时令牌帧的数据字节1表示的是第一个获得令牌的站ID，当前令牌持有站把令牌传给它的后继站时会转发此ID；当有站发送入环申请帧申请添加一个站时，当前令牌持有站会把它的后继站ID放入令牌帧的数据字节1中转给入环申请站，此ID的站会作为之后的闭环宣示帧的目的站进行闭环操作；当令牌持有站发送后继帧删除一个站时，会把出错的后继站ID放在数据字节1中，PS与此ID相同的站会以设置后继帧响应令牌持有站。

站程序中除定义了每个类型帧的发送函数外，还定义了一些其他重要的函数：状态侦测函数，用于侦测总线是否错误、是否空闲以及发送缓冲器是否释放，它由每个类型帧的发送函数所调用；定时函数，用于设定一个时间间隔，它仅由请求后继帧、后继帧、申请入环帧发送函数调用。SJA1000控制器开放接收中断、仲裁中断及总线错误中断3类中断。发送中断、仲裁中断、总线错误中断和单片机定时中断处理流程如图6所示。

接收中断处理流程如图7所示，接收中断对9类帧进行了不同的处理。

基于CAN总线的实时令牌网可用于短数据帧的实时传输，如机器状态传感数据、过程控制信号等，基于此协议构建的网络既可保证传输的实时性又可保证正确性，因此具有很好的应用价值。

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