开题报告基于AVR单片机的CAN总线通讯单元设计说明

-毕业设计论文开题报告题 目：基于AVR单片机的CAN总线通讯单元设计院 系 电气工程及自动化学院 专 业 测控技术与仪器 学 生 周学安 学 号 090220326 班 号 0902203 指导教师 梁军 开题报告日期 2013年3月28日*工业大学教务处制2013年3月说 明一、开题报告应包括以下主要内容：1课题来源及研究的目的和意义；2国内外在该方向的研究现状及分析；3主要研究内容；4研究方案及进度安排，预期到达的目标；5为完成课题已具备和所需的条件和经费；6预计研究过程中可能遇到的困难和问题，以及解决的措施；7主要参考文献。二、对开题报告的要求1开题报告的字数应在3000字以上；2阅读的主要参考文献应在10篇以上，其中外文资料应不少于三分之一。本学科的根底和专业课教材一般不应列为参考资料。3参考文献按在开题报告中出现的次序列出；4参考文献书写顺序：序号 作者.文章名.学术刊物名.年，卷期：引用起止页。三、如学生首次开题报告未通过，需在一周内再进展一次。四、开题报告由指导教师填写意见、签字后，统一交所在院系保存，以备检查。指导教师评语：指导教师签字： 检查日期：. z.-. z.-目 录1 课题来源及研究的目的和意义12 国内外在该方向的研究现状及分析12.1 CAN总线技术简介12.2 国内外研究现状23主要的研究内容43.1 主要内容43.2 本设计要求到达的技术要求44 研究方案及进度安排，预期到达的目标44.1 硬件设计44.2 软件设计74.3 验证方案8 4.4进度安排.94.5预期目标.95 为完成课题已具备和所需的条件和经费96 研究过程中可能遇到的困难和问题，以及解决的措施97 主要参考文献10. z.-1 课题来源及研究的目的和意义控制器局域网CANController Area Net总线是具有国际标准且性价比较高的现场总线，相比于在测控系统中比较常用的RS485通讯总线组网具有许多优点，CAN总线在通讯能力、可靠性、灵活性、易用性、传输距离、本钱等方面有着明显优势，随着我国工业及科技水平的不断提高，CAN总线技术比较成熟，已被广泛应用于各个自动化控制系统中。AVR单片机是增强型内置FLASH的精简指令集CPU的高速8位单片机1，其具有价格低、功耗小、速度快、可靠性高等优点。把AVR单片机和CAN总线两者优势互相结合，共同组成一个数据采集准确、通讯稳定可靠的通讯单元，在工业测量和控制领域具有宽广的应用前景。通过本课题的设计工作，掌握数据通讯的根本原理和流程，掌握CAN总线工作原理，学习和理解电路设计根本方法，熟悉相关软硬件设计工具和调试方法，培养根本科研素质和研发能力。2 国内外在该方向的研究现状及分析早在20世纪80年代初，CAN总线就开场开展起来，如今CAN总线已经得到广泛成熟的应用，基于AVR单片机的CAN总线通讯单元很有应用前景34。下面简单介绍一下CAN总线通讯技术，再对基于单片机的CAN总线通讯单元国内外研究现状进展分析。2.1 CAN总线技术简介20世纪80年代初期，由于欧洲汽车工业开展开展的需要，最先由德国Bosch公司提出CAN总线方案以解决汽车控制装置间的通信问题。当时，由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电子操作的，这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的连接信号线。提出CAN总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯，减少不断增加的信号线。于是，他们设计了一个单一的网络总线，所有的外围器件可以被挂接在该总线上。Bosch公司于1986年正式公布了这一总线，且命名为CAN总线。1987年Intel公司生产出了首枚CAN控制器82526。不久，Philips公司也推出了CAN控制器82C200。1993年CAN成为国际标准ISO11898高速应用和ISO11519低速应用。为促进CAN以及CAN协议的开展，1992在欧洲成立了国际用户和厂商协会CAN in Automation，简称CiA，在德国Erlangen注册，CiA总部位于Erlangen。CiA提供效劳包括：发布CAN的各类技术规*，免费下载CAN文献资料，提供CANopen规*DeviceNet规*；发布CAN产品数据库，CANopen产品指南；提供CANopen验证工具执行CANopen认证测试；开发CAN规*并发布为CiA标准。 如今，CAN接口已经被公认为微控制器Microcontroller的标准串行接口，应用在各种分布式内嵌系统。该协会已经为全球应用CAN技术的权威1。CAN总线属于现场总线的*畴，它是一种支持分布式控制和实时控制的多主的异步串行通信总线，有许多优点，具有优良的错误处理机制，可靠的数据传送性能，支持差分收发，适合高噪声环境，具有较远的传输距离。在工业控制领域，在数据通信上要求设备间可随意进展数据交换、通信能以播送方式进展、简单经济的硬件接口、通信线尽量少、通信距离长、抗干扰能力强、可靠性高并能自动进展故障识别和自动恢复。在以往的国内测控领域，由于没有更好的选择，大多采用BITBUS或RS-485作为通信总线。而CAN总线作为设备级的现场总线，相比于BITBUS或RS-485作为通信总线具有更高的可靠性和性价比，适于通信速度要求不高小于1Mbps、设备间数据交换量较少、通信距离长、通信可靠性要求高的应用场合。CAN网络上任何一个节点均可作为主节点主动地与其它节点交换数据；CAN网络节点的信息帧可以分出优先级，这对于有实时性要求的控制提供了方便；CAN的物理层及数据链路层有独特的设计技术，使其在抗干扰以及错误检测等方面的性能均大大提高；适当的网关如CAN与TCP/IP协议的转换，可以将CAN信息转变为Internet信息的形式外传，或反过来通过这类网关把外部网传来的信息转换为CAN信息的形式，实现远程控制。CAN的上述特点使其成为诸多工业测控领域中常用的现场总线，在许多领域都有广阔的应用前景和开展潜力。2.2国内外研究现状CAN总线是具有国际标准的现场总线，在现场总线领域中，CAN总线得到了计算机芯片商的广泛支持，他们纷纷推出直接带有CAN接口的微处理器(MCU)芯片。带有CAN的MCU芯片总量已经到达1亿3千万片(不一定全部用于CAN总线) 5；因此在接口芯片技术方面，CAN已经领先于FF、PROFIBUS、LONWORKS等其它所有现场总线。现场总线标准及其技术日益成为国际自动控制领域关注的一大焦点，其原因是它改变了传统控制系统的构造，形成了全新的网络集成分布式控制系统。在我国，现场总线已经开展到推广应用阶段，中国已经成为各种现场总线剧烈争夺的重要战场，因此研究现场总线技术及其产品就显得尤为重要。目前，由于CAN总线的高速通信速率、高可靠性、连接方便、多主站、通讯协议简单和高性能价格比等突出优点，深得许多工业应用部门的青睐，CAN总线技术在汽车电子控制系统、电梯控制系统、平安监控系统、医疗仪器、纺织机械、船舶运输、雷达系统、导航系统和航天测控等方面均得到了广泛的应用。*型轿车采用的就是CAN总线系统，美国商用车辆制造商们也将注意力转向CAN总线，很多企业已将CAN作为内部总线应用在生产线和机床上，不仅如此，我国的煤矿、卫星中也应用了CAN总线技术6-7。另外，根据国内外一些资料报道，CAN技术已应用于家用电器和智能楼宇以及小区建立中。如安防系统、抄表系统、家电控制等。它投资相对较少，每个节点可以随机访问，通信速度完全满足要求，且在这类应用中数据交换量都很少。通过CAN与TCP/IP协议的转换，可以使一个居室或一栋大楼的现场CAN信息转变为Internet的形式外传，或反过来通过这类网关把外部网传来的信息转换为CAN的形式，此即实现了所谓的远程控制。国内在CAN总线方面的研究与应用相比还存在比较明显的差距，以CAN总线在汽车应用情况为例8，差距表达在两个方面。其中一方面是，国内在自主研究和开发汽车电子CAN网络方面尚处于试验和起步阶段，国内很多汽车还没有采用汽车总线设计；另一方面，国内汽车合资企业不少已采用CAN总线技术，但核心技术掌握在外商手中。在国外，CAN总线出于其技术背景和来源于工业现场总线和计算机局域网这样非常成熟的技术，现在已成为汽车总线的主流技术和标准。世界上很多著名的汽车制造厂商，如Volkswagen(群众)、BenZ宝马、Porsche(保时捷)、Rolls-Royce(劳斯莱斯)、等都已经采用CAN总线来实现汽车内部控制系统的数据通信。CAN总线在汽车电子系统中得到广泛应用，已成为欧洲汽车制造业的主体行业标准，代表着汽车电子控制网路的主流开展趋势。以前，在国内批量生产的轿车如上汽的桑塔纳、一汽的捷达和奥迪、神龙的富康以及天汽的夏利等多属于中低档轿车，这些轿车都没有进展网络化设计，可以说以前国内汽车在CAN总线技术的应用上是一个空白。知道最近几年，国内各汽车公司从国外引进了一些电控技术含量较高的新车型。完全引进国外技术生产的奥迪A6车型已于2000年起采用总线代替原有线束，帕萨特B5、BORA和SIENA等车型也都不同程度地使用了总线技术，这些技术主要是以CAN总线技术为主，绝大局部应用在动力总线系统中，其核心技术仍掌握在国外的厂商手中，而在绝大局部国产中低档汽车上，由于技术上的因素和本钱上的限制，仍采用传统的传输系统。我国总线技术处于试验和起步阶段，CAN总线技术已经开场引起国内一些汽车研发部门的关注，比方*同济同捷科技股份*，已经开场了对汽车车身电子信息控制系统研制并取得一定的成果。他们应用CAN总线系统来控制管理整车车身电器，在现阶段已经初步形成了车身电器信息通信交互式网络控制系统。与CAN总线相关的产品也日益丰富起来，如PCI总线和CAN总线接口卡、USB总线和CAN总线接口、RS232总线和CAN总线接口、RS485总线和CAN总线接口、以太网和CAN总线接口、PC104总线和CAN总线接口、CAN总线中继器、基于CAN总线的数字量/模拟量输入输出模块、基于CAN总线的计数测频模块和CAN总线分析仪等。CAN总线于1991年9月形成技术规*2.0版本，包括2.0A和2.0B两局部。2.0A给出了标准报文格式(11位标识符)， 2.0B给出了标准报文格式和扩展报文格式(29位标识符)两种报文格式，2.0B完全兼容2.0A。只要支持CAN2.0B，则都可以兼容通讯。CAN协议还在不断的完善之中，由于CAN是事件触发协议，当许多消息同时要求发送时，结果竞争使低优先级消息发送的时间推后很多，甚至不能满足其时限的要求，为了提高总线利用率，增强CAN总线实时性的问题，2000年一开场，ISO的任务是迫使有关的几个公司定义一项协议用于CAN报文的时间-触发传输。TTCAN开展起来9，它通过独占窗口的方式解决消息传送确实定性问题，提高总线利用率，满足一定的应用开展要求10。这个CAN的扩展现在正在硅片上进展，它不仅允许用CAN作时间等间距传送报文和封闭控制循环，也允许在*-by-wire中使用CAN。因为CAN的协议没有变，但可以利用同样的物理总线发送时间触发的报文和事件触发的报文。目前流行的CAN总线器件有2大类，一类是独立的CAN控制器，如SJA1000、MCP2515等，另一类是带有片上CAN的微控制器，如与51单片机集成的P8*C591、与AVR单片机集成的AT90CAN32/64/128以及与ARM集成在一起的LPC2294等。现阶段这两种方式都有不少应用，例如文献11就是独立CAN控制器的应用，文献12就是集成CAN控制器的应用。虽然集成CAN总线控制器的设计硬件局部比较简单，但其设计灵活性比较差，为了方便在今后能适应不同的工作需求，在国内外大多设计中根本采用灵活方便的独立CAN控制器。基于AVR单片机的CAN总线通讯单元作为一个通讯及信息处理模块，可能随着今后的工作需求，需要进展一些浮点数的运算，或要*时性较高时，AVR微处理器不能满足要求，此时我们可以用DSP来代替AVR局部，而通讯单元的其他电路我们还可以继续使用；有时为了工作的需求，我们可能需要处理器局部控制多路CAN总线，可以把AVR用FPGA来代替。总之，采用独立的CAN总线控制器更加灵活方便是现在应用的主要趋势。3主要的研究内容3.1 主要内容1、CAN总线协议规*学习CAN总线物理层协议和数据链路层协议，掌握CAN总线报文帧构造、总线仲裁、报文滤波、帧编解码、通信错误处理等关键技术，为CAN总线节点设计打下根底。2、CAN总线节点设计1基于AVR单片机处理器，设计实现CAN总线通讯单元设计，完成微处理器电路、CAN接口电路、供电和隔离电路等硬件设计。2基于AVR单片机实现CAN总线节点接口控制和通讯控制，完成CAN总线通信参数设置和数据收发功能。3.2 本设计要求到达的技术要求1CAN通道数量：1个；2通信波特率：60Kbps1Mbps之间可设置；3通信距离：1Km50Kbps10m1Mbps；4CAN通讯接口采用DB9针型插座；5支持CAN2.0A和CAN2.0B协议。4 研究方案及进度安排，验证方案4.1 硬件设计设计方案：基于上述研究现状，可以知道有两个方案可以选择，见图1：方案一：方案二：图1 两种设计方案图方案选择：方案一的设计难度稍有增加，但灵活性好，为了便于今后工作中，能适应不同的设计需求，因此优先选择方案一。微处理器选择：ATmega系列属于AVR中的高档产品，它承袭了AT90所具有的特点，并在AT90的根底上，增强了更多的接口功能，而且在省电性能、稳定性、抗干扰性及灵活性方面都更加周全和完善，因此选择AVR单片机型号ATmega12813，特点如下：1高性能、低功耗的AVR，8位处理器；2先进的RISC构造。133条指令，大多数可以再一个时钟周期内完成，只需要两个时钟周期的硬件乘法器；3非易失性的程序和数据存储器。128K字节的系统内可编程Flash，具有独立锁定位、可选择的启动代码区、4K字节的EEPROM、4K字节的内部SRAM以及多达64K字节的优化的外部存储器空间。CAN控制器选择：带有SPI接口的独立CAN控制器MCP2515与单片机与单片机连接是通过标准串行外设接口SPI来实现的，并且它包含3个发送缓冲器和2个接收缓冲器，减少单片机负担，但考虑价格因素且SJA1000就完全满足设计要求，再考虑到该电路板面积较小，采用PHILIPS公司的SJA1000T14，它的体积是SJA1000的约三分之一。SJA1000T CAN协议控制器性能如下：1和PCA82C200独立CAN控制器电气、引脚兼容；2扩展的接收缓冲器64字节先进先出FIFO；3支持CAN2.0A/B协议；4同时支持11位和29位识别码；5位速率可达1Mbits/s；6可读/写访问的错误计数器；7可编程的错误报警限制；8最近一次错误代码存放器；9对每一个CAN总线错误的中断；10具体控制位控制的仲裁丧失中断；11单次发送无重发；12只听模式无确认无活动的出错标志；13验收滤波器扩展4字节代码4字节屏蔽；14自身信息接收自接收请求；1524MHz时钟频率；16对不同微处理器的接口；17可编程的CAN输出驱动器配置；18增强的温度适应-40+125oC。CAN驱动器选择：CAN驱动器TJA105015与82C250相比，降低了信号的电磁辐射EMI，总线节点数增加，可以再待机模式下关闭发送器，输入电平与3.3V器件兼容等优点，因此选择CAN驱动器TJA1050，其具体指标如下：1) 与“ISO11898”标准完全兼容；2) 高速率最高达1Mbps；3) 总线与电源及地之间的短路保护；4) 待机模式下，关闭发送器；5) 由于优化了输出信号CANH和CANL之间的耦合，降低了信号电磁干扰EMI；6) 具有强电磁干扰下，宽共模*围的差动接收能力；7) 对于T*D端的显性位，具有超时检测能力；8) 未上电的节点对总线无影响；9) 总线至少可连接110个节点；10输入电平与3.3V器件兼容。基于AVR单片机的CAN总线通讯单元的硬件设计如以下列图2所示：图2 基于AVR单片机的CAN总线通讯单元的硬件设计硬件主要包括AVR单片机、CAN协议控制器、CAN驱动器、复位电路、和电源5局部。1CAN总线通信的控制程序装载在AVR中,完成对CAN接口局部电路的初始化、工作模式设定、控制数据的发送与接收和各种CAN的实时应答处理任务等；2CAN协议控制器实现CAN通信数据链路层协议功能；3CAN驱动器实现CAN通信物理层协议功能；4复位局部用于AVR和CAN协议控制器的电路手动复位；5电源局部用于对各电路局部的供电。4.2软件设计CAN的通讯软件的设计是本系统软件设计的核心，主要包括CAN通道的初始化、CAN报文的发送和接收、CAN通道异常情况处理等。1CAN通道初始化流程图，如图3所示。图3 CAN通道初始化流程图2CAN报文发送及承受流程图，如图4所示。由于CAN通信速率相对于其上层微处理器的速率较慢，故接收采用查询方式完全可以满足应用要求，接收主要考虑了两种报文：数据帧和远程帧。报文发送主要是将报文标识符和报文数据写入CAN控制器，再通过设置命令存放器启动一次发送。具体程序思想是：程序一直等待承受数据，假设当接收到给定数据后，把数据进展变换后，自动发送回去；当接收到远程帧的话，把请求的数据发送。这样我们就可以实现CAN总线通讯节点的测试。图4 CAN报文发送及承受主流程图4.3验证方案验证放案见图5所示。图5 验证方案图按图5所示，把设计好的基于AVR单片机CAN总线通讯单元与周立功CAN卡PCI-9820进展通讯测试16，用周立功CAN卡向通信单元发送一个数据，通信单元收到数据后，把数据变换后再发送到回周立功CAN卡，以此来验证通讯单元的的真确性。验证设计主要用到了PCI-9820。PCI-9820非智能两通道CAN接口卡是具有高性价比的CAN总线通讯接口卡，该产品采用标准PCI接口，能让计算机方便的连接到CAN总线上，实现CAN2.0B协议兼容CAN2.0A的连接通讯。PCI-9820接口卡配备两通道逻辑独立CAN接口，使得在开发应用中更显方便和灵活，每个通道光电隔离，保护计算机防止地环流的损坏，增强系统在恶劣环境中使用的可靠性。PCI-9820非智能CAN接口卡采用WDM驱动程序，支持WIN98、WIN2000、和Win*P、Linu*操作系统。同时，提供功能完善的ZLGCANte*t通用测试软件，可直接执行CAN帧报文的接收、发送、监控等功能。根据以上PCI-9820特点，我们可以把它与所设计的基于AVR单片机CAN总线通讯单元连接通讯，验证所设计CAN通讯单元能否正常合理的通讯。4.4 进度安排时间段进度安排CAN协议研究，总体方案设计完成硬件设计原理图设计、PCB绘制、投板进展单片机主控程序设计和开发调试及验证完善设计和整理资料，完成设计开发文档编写整理设计思路，撰写论文，准备4.5 预期目标1所设计基于AVR单片机的CAN总线通讯单元能实现技术要求且通讯正常。2通过完成基于AVR单片机的CAN总线通讯单元设计，学习掌握CAN总线协议、AVR单片机编程、PCB绘制方法、调试方法等，为自己以后的读研积累良好的根底。5 为完成课题已具备和所需的条件和经费具备所需的Altium Designer、IAR等应用软件、PCI-9820及相对应软件、配置良好的电脑、各种测试仪器等实验环境。6 研究过程中可能遇到的困难和问题，以及解决的措施研究过程中可能遇到的问题：1所设计CAN总线通讯单元抗干扰差，外界干扰可能影响通讯准确性。解决方法是在设计系统板时把CAN总线控制器SJA1000T的T*0和R*0通过高速光耦6N137分别于TJA1050的T*D和R*D相连，提高其抗干扰能力。7 主要参考文献1 包秀荣，王楠.AVR单片机的特点及其应用.*科技与经济J.2004,6:51-52.2 *涛，赵向阳.基于AVR单片机CAN总线设计.现代电子技术J.2007,10:121-124.3 黎新亮，关沫，马君璞.基于SJA1000的CAN总线通讯模块的设计J.*工业大学报.2004,26(1):99-102.4 绕运涛，邹继军，*勇芸. 现场总线CAN原理及应用技术M.：航空航天大学，2003.5 罗雪梅.基于SJA1000的CAN总线接口电路的设计与实现J.*工业大学学报.2003.32(4):42-44.6 WU jian-*in,DING Ying,JIANG *iu-zhu.Research on Integration of Coal Mine Monitoring and Control System with Field Bus Control System.J.China Univ.of Mining & Tech，2006.Vol.16(No.1):83-85.7 *u Z,Zheng H D.Research on mine monitoring and control system based on CAN.Journal of China University of Mining and Technology ,2004,33(4):421-423. 8 熊福昌.汽车CAN总线通讯技术研究.硕士学位论文.*.*科技大学.20099 T.Fuhrer,B.Muller,W.Dieterle,F.Hartwich,R.Hugel,M.Walther.Time triggered munication on can.In International CAN 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