机载CAN总线节点的模块化设计与实现

朱宝增，黎明也，严 华，管慧明

（上海微波设备研究所 上海 201802）

随着电子技术水平的日益进步，系统设计朝着模块化、通用化的方向发展。而在模块数量多达几十个的机载设备系统中，模块的控制与数据传输也面临到新的挑战。采用传统离散I/O的控制方法势必增加设备量，系统布线复杂且调试不便，可靠性不高，因此广泛采用总线设计方法，并行总线虽具有速率高的特点，但不适应于模块布置相对分散的系统中，而传统的串行总线（如UART串口）是一种低数据率和点对点的数据传输标准，难以支持相对复杂设备的功能操作。20世纪80年代发展起来的现场总线具有通信网络化、互联简单、开放的特点，因此在工业控制中得到了广泛应用，特别是CAN（Controller Area Network）控制器局域网配置灵活、帧结构简单、传输速度快且可靠性很高，广泛应用于汽车、机械、机器人、数控、医疗器械等行业，被公认为是最有前途的现场总线之一[1]。因此，在机载系统模块间数据通信采用CAN总线的方案，可以根据不同种类模块的特点，在原有技术基础上，通过精心设计和器件选型，以最小的改动，将所有模块顺利接入CAN总线网络，满足系统通用化、模块化的需求。

1 CAN总线系统总体设计

基于CAN总线的机载设备网络系统系统框图如图1所示，系统采用非对称型主从式网络结构，上位机选择的是带有CAN接口的计算机主板，作为CAN总线网络中的主节点，其它模块单元为从节点，节点数超过20个。从节点按功能类型分主要有两种形式，一种是以微波器件为主的模块，主要用于功能控制，诸如接收、变频、本振源等，这种模块内部均有一些受控单元，需要数字控制，如开关、数控衰减器、故障检测模块等等，系统设计了一款通用CAN总线控制板，该板核心器件是一款带CAN接口的微处理器，能完成与上位机的参数传输和对受控单元的译码控制。另一种是以信号处理为主的模块，主要用于数据处理，如干扰源模块等，板上的处理器以TI公司6000系列的DSP为核心，但该款芯片不含CAN接口，系统选择了一款独立的CAN控制器作为该模块的CAN接口，将其接入CAN总线网络。

系统CAN网络的通信协议以CAN2.0A帧结构为基础，数据率为500 Kb/s，最大可支持1 Mb/s，支持广播和点对点传送数据，数据包长度最大为4 GB。

一个CAN2.0A标准帧由11位的标识符、1位RTR、4位的数据长度和数据区（最多8个字节，包含数据索引和数据）组成，具体说明如表1所示，帧报文格式。

标识符占11位，分成了3个部分：方向，地址和类型，具体含义如下：

图1 CAN总线机载设备系统网络框图Fig.1 Network diagram of CAN bus pod system

表1 帧报文格式Tab.1 The frame format of message

1）方向：方向位决定一半的优先级，而剩余的优先级由节点地址决定，低地址优先级高。当方向位为“1”时，从节点发送数据报文到主节点，优先级由地址决定；当方向位为“0”时，主节点发送数据报文到从节点，优先级由地址决定；

2）地址：表示节点地址，主控计算机的节点地址定为10，本系统中规定其它模块的节点地址必须大于20；

3）类型：数据报文的类型，具体说明如表 2所示，数据帧类型。对于数据长度不超过8个字节的信息采用单帧类型；对于数据长度超过8字节的信息采用多帧类型，其中发送的最后一帧采用结束多帧类型，其余帧采用非结束多帧类型，每帧在数据包中的具体位置采用数据索引表示。

表2 数据帧类型Tab.2 Data frame type

数据长度：每帧的数据长度，最长为8个字节，占4位，包含数据索引和数据的长度。

数据索引：长度为4个字节，对于单帧报文，表示具体数据，不作索引用；对于多帧数据，该字节表示此帧在数据包中的位置，从1开始计数。

数据：长度为1～4个字节，由具体的信息内容决定。

2 信号处理模块CAN节点的设计

当前，有一些处理器将CAN控制器嵌入其中，但是仍有大量人们比较熟悉的处理器并不带有CAN控制器。系统中的信号处理模块作为CAN总线网络中的一个节点，采用的处理器就是不带CAN控制器的TI 6000系列的DSP，因此采用处理器和CAN控制器组合设计成为必要。

2.1 硬件设计

CAN控制器具有完成CAN总线通信协议所要求的全部必要功能，因此CAN控制器与其它处理器的接口设计成为设计CAN总线系统的首要工作。本文重点介绍以TI 6000系列的DSP为核心的、基于SJA1000的CAN总线接口设计，CAN总线接口芯片选择PCA82C250芯片。

SJA1000是一种独立CAN控制器，它兼容CAN2.0A和CAN2.0B两种技术规范。SJA1000具有BasicCAN和PeliCAN两种工作方式 ，PeliCAN工作方式支持具有很多新特性的CAN 2.0B 协 议[2]。

SJA1000接口为地址/数据复用模式，DSP处理器通常为地址/数据总线分离的结构，而且DSP不提供ALE信号，设计的关键就是DSP要把SJA1000的地址当成数据写入并同时产生ALE信号。本文采用基于FPGA的DSP和SJA1000接口设计的方法，利用地址数据信号产生CAN的ALE、CS等信号，其优点在于使用多个总线设备时，可用一片FPGA完成所有总线设备的译码，这种方法有更好的适用性。FPGA与SJA1000的信号连接见原理图 2，AECLKOUT2是 DSP和FPGA之间的同步时钟信号，SAEA[22..3]和SAED[63..0]分别是DSP和FPGA之间的地址线和数据线，DSP和FPGA之间是64 bits数据宽度，而FPGA与SJA1000的接口是8位数据宽度。

2.2 软件设计

独立的CAN控制器SJA1000必须在上电或硬件复位后设置CAN通讯。在由DSP操作期间，要发送一个软件复位请求，然后SJA1000会被重新配置，即再次初始化。上电后SJA1000在管脚17得到一个复位脉冲（低电平），使它进入复位模式。而SJA1000配置信息的寄存器仅在复位模式可写，因此在设置SJA1000的寄存器前，DSP要通过读复位模式/请求标志来检查SJA1000是否已达到复位模式。初始化SJA1000流程图如图3所示。

3 微波模块CAN总线节点的设计

按照系统模块化、通用化、标准化的要求，整个机载设备系统结构上采用盲插式插盒形式，每一个盒体为一个独立功能的模块，所有模块的低频走线尽量通过背板互联。为了满足每个微波模块对外通信和对内译码控制的需求，在微波盒体内嵌入一块通用CAN总线控制板。

3.1 硬件设计

图2 FPGA与SJA1000的原理图Fig.2 Schematic diagram of FPGA with SJA1000

图3 初始化SJA1000流程图Fig.3 Flow chart of SJA1000 initialization

通用CAN总线控制板选用由STM32F103C8T6微控制器和CAN总线驱动芯片PCA82C250构成，通用CAN总线控制板原理图见图4。STM32F103C8T6是意法半导体推出的高性能、低成本、低功耗32位ARM CortexTM-M3 CPU内核。该微控制器带有bxCAN通讯接口，它支持CAN协议2.0A和2.0B，波特率最高可达1 Mb/s[3]。飞利浦公司的PCA82C250作为主控制器内嵌bxCAN模块与总线之间的CAN收发接口，该接口芯片可以同时支持110个节点在线，完全符合“ISO 11898”标准，并具有良好的电磁干扰可靠性与热保护功能[4]。

STM32F103C8T6内嵌的bxCAN模块实现了CAN协议的物理层和数据链路层的功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。用户进行软件设计时，只需完成波特率、过滤验证码等设置的初始化工作，然后再进行应用层开发。该微控制器还具有20多根的IO端口，可将上位机下传的控制参数进行译码解析，对微波模块的开关、衰减器等进行控制，大大降低了对系统I/O数量的需求。此外，这款微控制器内嵌了一个温度传感器，在对测量精度要求不是很高的场合，可以方便地实现诸如模块增益温度的补偿措施[5]。

图4 通用CAN总线控制板原理图（部分）Fig.4 Schematic diagram of the general CAN bus control board （part）

3.2 软件设计

对于控制类的微波模块大部分的指令和数据仅需要很少的字节数，例如启动模块自检只需1个字节，自检回送、接收通道选择、通道增益设置等只需2个或3个字节，这时采用CAN—bus短帧的传输方式即可。

为了减轻CAN网络的总线负荷，采用了非应答模式，即命令只发送1次，当接收节点接收到该信息后，也不必发送应答信息[2]。如有模块通信超时，系统在上电之后的模块自检就能提前知道。

通过报文标识符ID和数据的结合使用，用优先级保证重要节点的信息交互，提高了CAN通讯的实时性。为了降低各节点CPU的负担，充分利用CAN控制器的报文验收滤波功能。

通过对验收滤波器的操作，判断它的值和接收信息的识别位的值是否相等，只有相等时CAN控制器才允许在接收FIFO中保存已接收到的信息。举例来说，各个微波模块节点只需接收上位机主节点的报文，则微波模块的报文验收滤波器只对主节点发送报文进行接收即可，其它子节点发送的报文直接被滤除。

以接收模块为例，其微控制器的主程序流程图见图5。该模块内部有数控衰减器和微波开关需要控制，模块自检时需要接通外部的自检源，信号经过微波通道进入功率检测模块，如果功率在正常范围之内则自检判断正常，否则要向上位机报故障。

图5 微控制器程序流程图Fig.5 Flow chart of the micro controller program

4 系统调试注意事项

1）低温复位异常

机载设备的工作温度要求在-55～+75℃范围，而芯片STM32F103C8T6的低温只支持到-40℃，微波模块在进行低温工作试验时，经常会有低温不能正常工作的现象。经反复观测，发现单片机的RST管脚的复位时间在-55℃时比在常温时要下降约10%，考虑到单片机的复位设计采用的是RC复位电路，可能是电容在低温下容值下降导致的复位时间变短，最后通过增大电容的容值，适当延长了复位时间，解决了低温下单片机复位异常的问题。

2）阻抗匹配问题

高速传输涉及信号完整性（SI），因此需进行阻抗匹配设计，分系统间采用专用CAN电缆，在母板传输采用阻抗匹配设计，并且在终端进行120 Ω匹配连接。注意即使系统有多个节点时，在空间上处于系统远端的两个节点加入匹配电阻即可，其余节点不加，否则会导致阻抗不匹配，系统通信不正常。

5 结束语

文章基于某型机载设备工程实例，在系统总体设计上，给出了一种便捷的CAN总线通讯协议，通过报文标识符ID和数据的结合使用，用优先级保证重要节点的信息交互，提高了CAN通讯的实时性[6]，减轻了CAN网络的总线负荷，可为其他设备通讯方式提供参考。在底层硬件模块的设计上，根据该机载设备中不同种类模块的特点，提出了两种模块实现CAN通信接口的软硬件解决方案，满足了系统通用化、模块化的需求。该方案已在某型机载设备中经过长达1年多的试验检验，系统运行正常，可靠性很高。

[1]申磊，吴建国，秦磊，等.基于ARM的CAN总线智能节点保护电路的研究[J].仪表技术，2013（11）:29-31.SHEN Lei，WU Jian-guo，QIN Lei，et al.Research on CAN Bus Intelligent Node Protection CircuitBased on ARM[J]Instrument Technology，2013（11）:29-31.

[2]Philips Semiconductors Inc SJA1000 Stand-alone CAN controller DataSheet[EB/OL].（2000-01）.[2014].http://www.nxp.com/documents/data_sheet/SJA1000.pdf.

[3]STMicroelectronics Inc，STM32F103x6 DataSheet[EB/OL]（2007-07）[2014].http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00210843.pdf.

[4]NXP Semiconductors Inc PCA82C250 CAN controller interface DataSheet[EB/OL].（2011-08）.[2014].http://www.nxp.com/documents/data_sheet/PCA82C250.pdf.

[5]胡小禹，钱志芳.一种改善微波模块增益指标温度特性的新方法[J].电子设计工程，2012（3）:78-81.HU Xiao-yu，QIAN Zhi-fang.A new way to improve the temperature character of microwave modules gain feature[J].International Electronic Elements，2012（3）:78-81.

[6]严世华，何永强，郎宾．基于DSP的CAN总线应用层协议开发与实现[J]．科学技术与工程，2007（22）：5939-5942．YAN Shi-hua，HE Yong-qiang，LANG Bin.Development and realization of CAN application layer baseol on DSP[J].Science Technology and Engineering，2007（22）：5939-5942．