基于CAN通讯的井下仪器设计

王宏伟，李彬宝，吴靓，代鑫，彭祥

(中地装(重庆)地质仪器有限公司，重庆 400033)

0 引言

CAN是控制器局域网络(controller area network)的简称，由于CAN总线的通讯方式具有高可靠性、实时性和不限节点的灵活性，成为当前通讯领域中应用最广泛的现场总线之一，特别是在汽车领域，汽车控制系统中包含多种传感器节点和控制终端，主要通过CAN总线的通讯方式实现。除此之外，CAN的应用领域正在向各行各业拓展，如机械工业、物探工程、石油钻探、航空航天、船舶管理、海港控制、农业机械、智能家居、机器人、医疗仪器等等。CAN通讯的优势使得它已被公认为最有前途的现场总线之一。

1 关键技术介绍

1.1 CAN总线简介

CAN总线是两线制，CAN_H和CAN_L，通讯介质通常有几种，最常见的是双绞线，此外，由于应用领域的不同，通讯介质还有光导纤维和同轴单芯电缆等。在总线上可以挂载多个节点，节点不分主从，通讯时各个节点根据CAN总线协议，由系统设置相应参数自动进行仲裁和优先级判别。通讯距离与节点个数和传输速率有关，传输速率越低且节点数越少，传输距离越远。但大多数CAN总线应用在系统仪器内部，通常传输距离都足以保障通讯质量的要求。

本设计是在井下探测仪器(以下简称探管)中应用CAN通讯技术，探管级联总长度不超过10 m，在CAN传输终端采集的数据实时性强，双线差分信号抗电磁干扰能力强，且根据CAN总线协议，每帧数据都有CRC校验和其他错误检测机制，能够保证数据传输的准确性和可靠性。此外，CAN_H和CAN_L两线应用于级联探管中线束较少，结构设计简便。

1.2 STM32单片机简介

STM32是意法半导体出品的ARM单片机，性能高、价格便宜、使用简便、程序开源、封装体积小，具有不同容量大小和产品性能。开发人员可根据设计需求选择适合的产品，STM32系列单片机现已成为时下最主流微控制器之一。

本设计中采用STM32F103CBT6作为主控芯片，该芯片基于ARM Cortex-M3内核，含有丰富的外设TIM、CAN、SPI、I2C、UART、USB等，工作频率最高达到72 MHz。STM32单片机内部集成的CAN控制器是基本扩展CAN，支持CAN协议2.0A(标准型)和2.0B(扩展型)。作为测井仪器的主控芯片，完全能够满足通讯和传输速率等要求，性价比很高。

2 硬件电路设计

2.1 选用高速CAN通讯网络

本设计的通讯网络遵循ISO 11898标准的高速、短距、闭环网络，传输速率为500 kb/s。每个节点都含有一个CAN控制器和一个CAN收发器，CAN控制器已集成在单片机内部，CAN收发器与单片机直接相连，每个节点的CAN收发器都输出两条线，即差分信号线CAN_H和CAN_L，为保证线束阻抗匹配，在两条线的终端均配有一个120 Ω的电阻，该电阻能有效减少回波反射和噪声干扰。

2.2 CAN收发器选型

STM32单片机内部集成CAN控制器，而引脚输出TTL电平，必须将其转换为差分信号才能挂载到总线上，因此需要选用一款合适的CAN收发器作为电平转换芯片。

本设计选用飞思卡尔的高速CAN收发器MC33901。MC33901收发器支持最低5 kb/s传输速率，标准8 pin输出，如图1所示。不需要外部过滤器组件就能实现电磁兼容和防静电性能，在各种波特率下均无出现严重的过冲现象。

图1 MC33901外围电路Fig.1 Peripheral circuit of MC33901

图2 探管级联示意图Fig.2 Schematic diagram of cascading probe tube

2.3 井下探管级联设计

探管级联方式如图2所示，公共短节探管单片机内部集成CAN控制器，通过CAN收发器进行通讯，其他测量参数探管以同样的方式挂载到CAN总线。如前文所述，CAN总线节点在总线上均可广播和监听数据，在电气方面具有同等地位，也就是说可以不区分是否为公共短节还是其他参数测量探管。实际应用中为了进一步控制不同节点的功能，通常会假定一个主机，比如假定公共短节探管为主机，其他参数测量探管为从机，通过软件设置数据段加密的方式可实现主从机功能，主机发送命令，从机根据CAN监听的数据段内容做出相应动作。

无论主机还是从机，在发送报文时集成在单片机内部的CAN控制器将报文由单片机引脚CAN_TX发出，信号为普通逻辑电平。然后经过CAN收发器把这个电平转换成差分信号，通过两线电压差区分显性电平还是隐性电平，即CAN收发器与单片机相连的输入部分有区分“发送”和“接收”，此时信号被广播到总线网络上。在接收报文时，总线上的差分信号经由CAN收发器转换成能被单片机识别的逻辑电平，即CAN收发器在与总线相连的部分是差分信号，不区分发送端还是接收端，只有CAN_H和CAN_L，此时信号被单片机的引脚CAN_RX接收。

3 软件程序设计

在井下探管设计中，多个探管级联需要有多个CAN节点，不同节点具有同等地位。为区分公共短节与其他测量参数探管，本设计中将公共短节所在CAN节点称为主机，其他级联的测量探管称为从机。

3.1 协议及程序流程

本设计采用CAN 2.0B协议，设置29位ID标识符，数据段长度为8字节。不同开发人员可自定义内部协议对数据段进行加密设计，以此进行节点间的命令传输。本设计中数据段包含控制命令、返回ID及返回数据等。按照协议完成探管间的通讯任务，不同探管对数据段进行筛选和判别，并执行相应程序命令，程序设计流程如图3所示。

图3 程序设计流程图Fig.3 Flowchart of program design

3.2 参数设置

CAN设置内容比较多，每一项参数的设置都必须仔细斟酌。CAN初始化大致分为4部分：①配置IO接口；②对CAN通讯的中断方式配置；③CAN工作模式配置，其中包含了CAN总线协议的具体模式配置；④CAN过滤器配置。

(1)IO接口配置。配置CAN的GPIO设置，注意引脚是否为重映射。

(2)中断方式配置。配置CAN中断向量及优先级，发送中断、接收FIFO中断和错误中断，本设计主要是接收FIFO中断。

(3)工作模式设置。①时间触发通讯模式；②硬件自动离线管理；③自动唤醒模式；④自动重传功能；⑤接收FIFO锁定，即接收非锁定，FIFO溢出时覆盖；⑥发送FIFO优先级，即按照标识符判断优先级；⑦设置为正常工作模式；⑧通讯位时序配置，本设计设置比特率为500 kb/s，其中CAN_SJW设为1 tq、CAN_BS1设为3 tq、CAN_BS2设为2 tq、CAN_Prescaler设为12。CAN通讯位时序相关的配置，在各个节点必须设置成相同(或相似)以确保正常通信；⑨CAN单元初始化。

(4)CAN接收过滤器设置。①设置过滤器组；②设置过滤器工作模式为标识符屏蔽模式；③设置要过滤的ID高位低位，设置每位都要过滤；④设置过滤器长度；⑤设置过滤器被关联到FIFO。

4 结语

通过STM32单片机和CAN通讯处理电路，能够实现一次采集多参数的测井方法。探管级联组合方式灵活，方便现场安装，且能配合上位机完成自动识别参数类型的功能，可同时测量自然γ、井温、三分量、磁化率、磁测斜、四电极系、流体电阻率、三侧向电阻率、声波等参数。经实验证明该设计能够保证高传输速率和可靠通讯，即使在深井高压高温环境下依然能够保障通讯质量。CAN通讯在测井仪器中的可靠应用已得到实验验证，级联组合方式能够改善传统测井方式的人力、物力消耗，可广泛应用于工程测井领域。