机载CAN总线节点的模块化设计与实现

机载CAN总线节点的模块化设计与实现
摘要：针对目前通用化、模块化的要求，本文针对某型号机载设备的实际应用，给出了CAN总线系统的总体设计和应用层的通讯协议，并针对目前已有的各
种模块的特性，在此基础上，针对现有的一些成熟技术，提出了CAN总线的两种
软件和硬件设计方法。

通过长时间的使用，该方案具有可靠性高、维护方便等特点，满足了系统的设计需求。

关键词：机载CAN；总线节点；模块化设计实现
引言
随着电子技术的不断发展，整个系统的设计逐渐趋向于模块化和通用化。

在
数十个模块中，模块的控制和数据传输也是一个新的问题。

传统的DI/O控制方
式必然会增加设备的容量，由于线路的布线复杂、调试不方便、可靠性较差，所
以普遍采用了总线的方式，虽然并行总线的速度很快，但是它并不适合在模块配
置比较分散的情况下使用，而UART串口等串行总线作为一种数据传送标准，在
较复杂的设备中很难实现其功能运行[1]。

CAN（ControllerAreaNetworic）控制器，其组态灵活、帧结构简单、传输速度快、可靠性高，在汽车、机械、机器人、数控、医疗器械等领域都有着广泛的应用，因此，在机载系统模块间数据通信釆用CAN总线的方案，可以根据不同类型模块的特点，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，达到系统
的通用性和模块化要求。

1、CAN总线系统总体设计
本系统采用了一种不对称的主从式网络，采用了带有CAN接口的主机，以作
为CAN总线网络的主要节点，其他模块为从节点，具有20多个节点。

从节点的
功能类型分为两种，第一种是以微波为中心的模块，它的功能主要包括接收、变频、本振源等，这些模块都是由开关、数控衰减器、故障检测模块组成的。

第二
类是以信号处理为主要功能的模块，主要用于数据处理，例如干扰源等，其中
TI6000系列DSP芯片为核心，但是没有CAN接口，因此系统选用了一个单独的CAN控制器作为CAN接口，并通过CAN总线连接，该系统CAN网络的通讯协议是
基于CAN2.0A框架的，它具有500Kb/s的数据速率，最大支持1Mb/s的速率，并
具有广播和点对点的传输数据，最大的数据包长度是4GBO,CAN2.0A标准帧包括
11位标识符，1位RTR，4位数据长度以及数据区（包括数据索引和数据）。

2、信号处理模块CAN节点的设计
目前，已有许多已嵌入CAN控制器的处理器，由于系统中的信号处理部分是CAN总线网的一个结点，它所使用的处理器是TI6000系列的DSP而非CAN控制器，所以必须将处理器与CAN控制器结合起来[2]。

2.1硬件设计
CAN控制器具备了CAN总线通讯的所有必需的功能，所以CAN控制器和其他
处理器之间的接口设计是CAN总线系统的第一步。

本文着重阐述了基于SJA1000
的H6000系列DSP作为核心的CAN总线接口，选用PCA82C250作为CAN总线接口。

SJA1000是一个具有CAN2.0A和CAN2.0B标准的独立CAN控制器。

SJA1000有两
种工作模式：BasicCAN和PeliCAN，它支持CAN2.0B4的许多新功能。

SJA1000采
用了地址/数据多路传输方式，DSP一般采用地址/数据总线相隔离的结构，DSP
不能提供ALE信号，因此DSP必须将SJA1000的地址作为数据，同时生成ALE信号。

本论文采用FPGADSP与SJA1000接口的设计，以地址数据为基础，生成CAN
的ALE、CS等信号，具有多个总线器件的优势，可以由一片FPGA实现对全部总
线的解码，具有较好的适用性。

AECLKOUT2是DSP与FPGA间的同步时钟信号，SAEA[22.3]和SAED[63.O]是DSP与FPGA间的通讯线路，DSP与FPGA的通讯线路
为64比特，而FPGA与SJA1000的通讯带宽为8比特。

2.2软件设计
SJA1000在电源或硬件重置后，必须设置SCAN通信。

在DSP运行过程中，将
会发出一个软件重置请求，SJA1000会被重新配置，也就是重新进行初始化。

SJA1000在通电之后，在引脚17处获得一个重置脉冲（低），从而将其送入复位
模式。

而SJA1000配置信息的寄存器只能在重置模式下写入，所以在SJA1000的寄存器被设定之前，DSP要检查SJA1000是否已经进入重置模式[3]。

3、微波模块CAN总线节点的设计
根据系统模块化、通用化和标准化的要求，整个机载设备的系统结构采取了一种盲插的方式，每个盒子都是一个独立的能量模块，所有的模块都尽可能地通过背板连接。

为了满足微波模块的外部通讯和内部解码控制要求，将一块通用CAN总线控制板嵌入到微波箱中。

3.1硬件设计
通用CAN总线控制器选择了STM32F103C8T6单片机和PCA82C250的CAN总线驱动芯片PCA82C250组成。

STM32F103C8T6是由意法公司开发的一款高性能、低成本、低功耗的32位ARMCortexTM-M3CPU核心。

单片机采用bxCAN通信接口，支持2.0A和2-0B，其波特率达到1Mb/s，飞利浦公司的PCA82C250作为主控制器，内置于bxCAN模块与总线之间的CAN传输接口，能够同时支持110个网络结点，满足“ISO11898”的要求，并且具备较好的EMI可靠性和耐热性。

STM32F103C8T6内置的bxCAN模块可以实现CAN的物理层和数据链路层，它可以处理数据的数据流，包括位填充，数据块编码，循环冗余检查，优先级识别。

在进行软件设计之前，用户可以简单地进行波特率，过滤验证码等初始化工作，并在应用层的开发中实现。

同时，它还配备了20多个10端口，可以解码和分析上位机的控制参数，控制模块的开关、衰减等，从而减少了对I/O的要求。

另外，该单片机还内置了一个温度传感器，能够很容易地在不需要精确测量的情况下，对模块的增益温度进行补偿。

3.2软件设计
大多数的控制级微波模组所需的字节数较小，如启动模组自检只需1字节，而自检回送、接收通道选择、信道增益设定等，则采用CAN-bus短帧传送。

在CAN网络中，为减少总线负载，采用无响应方式，即指令一次，接收端收到消息后，无需再发送响应信息端口。

若有模块通讯超时，则可在上电源后进行模组自我检查。

在此基础上，将报文识别码与数据相结合，以优先级来保障各个节点的
CPU负荷，并充分发挥CAN控制器的接收与过滤功能。

通过对接受滤波器进行运算，判定其数值与所接收的识别位的数值是否相等，CAN控制器将接收到的信息存储到接收FIFO中。

例如，每个微波模块的结点只要接受上级的报文，那么微波模块的接收滤波器就可以接收到主结点的报文，而其他子结点的报文就会被过滤掉。

模组内有数字衰减和微波开关，自检时必须与外部的自检源相连，通过微波信道输入功率检测器，如果功率在正常范围内，则自动判断为正常，否则将报告给上位机。

4、系统调试注意事项
4.1低温复位异常
机载设备需要-55~+75℃，而STM32F103C8T6的低温只能支持-40Y，在低温测试中，由于微波组件在低温下运行，往往会出现故障[4]。

经过多次观察，发现单片机RST管脚在-55Y处的复位时间比常温时降低10%左右，由于采用RC复位电路进行复位，低温下电容的容限降低，使复位时间缩短。

4.2阻抗匹配问题
由于高速传送与讯号完整性（SI）有关，故需要进行阻抗匹配设定，各子系统之间使用专用CAN电缆，主板传送时阻抗匹配，终端120Q配对。

注意，即使是有多个结点，在系统远端的两个结点加上一个匹配电阻器即可，而其他结点不能加，否则会造成阻抗不匹配，造成系统通讯异常。

5、结语
本文以某型号机载设备的实际应用为基础，在系统的整体设计中，提出了一种方便的CAN总线通信协议，利用包IDID与数据相结合，利用优先级来实现关键节点间的信息交互，提高了CAN通信的实时性，减少了CAN总线的负载，为其它设备通信方式提供了借鉴。

在基础硬件模块的设计上，针对机载设备中各种模块的特性，给出了实现CAN通讯接口的两种软件和硬件实现方法。

该方案已经在某型号机载上进行了一年多的测试，证明其工作性能良好，具有较高的可靠性。

参考文献
[1]代宏泽.基于CAN总线的柴油机通信模块设计与实现[J].科技创新导报,2019,16(18):3.
[2]贾甜.基于CAN总线的模块化冗余PLC结构设计[J].物联网技
术,2015(1):2.
[3]朱宝增,黎明也,严华,等.机载CAN总线节点的模块化设计与实现[J].电子设计工程,2014,22(16):151-154,158.
[4]曾勤波.机载光纤CAN总线的设计与实现[D].湖北:华中科技大学,2012.。