CAN总线的双机冗余专业系统设计.doc
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1、课程设计(论文)任务及评语院(系):电气工程学院 教研室:自动化学 号学生姓名专业班级课程设计(论文)题目CAN总线双机冗余系统设计课程设计(论文)任务课题完成功效、设计任务及要求、技术参数实现功效CAN总线双机冗余系统设计,使在出现故障时能自动切换,确保系统安全、稳定运行。设计硬件包含总线控制器、总线收发器及ATMEL系列单片机及切换逻辑等。软件采取汇编语言或C语言,并调试和分析。设计任务及要求1、确定设计方案,画出方案框图。2、冗余系统硬件设计,包含元器件选择。3、画出硬件原理图。4、绘出程序步骤图,并编写初始化、接收及发送程序。5、要求认真独立完成所要求全部内容;所设计内容要求正确、合理
2、。6、按学校要求格式,撰写、打印设计说明书一份;设计说明书应在4000字以上。技术参数1、符合CAN2.0B规范;2、40米内最高可达1Mbit/s;(设计选定传输速率为125K bit/s)3、可扩充110个节点;进度计划1、部署任务,查阅资料,确定系统设计方案(2天)2、系统硬件设计及模块选择(3天)3、系统软件设计及编写功效程序及调试(3天)4、撰写、打印设计说明书(1天)5、验收及答辩。(1天)指导老师评语及成绩平时: 论文质量: 答辩: 总成绩: 指导老师签字: 年 月 日注:成绩:平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要CAN总线高性能和可靠性已被认同,并被广泛地
3、应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展热点之一,被誉为自动化领域计算机局域网。它出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠数据通信提供了强有力技术支持。伴随功效强大单片机在控制领域应用不停深入,容错控制系统也在不停地发展,在部分特定场所下,如在航空航天、军事、铁路、石油、化工、电力等关键部门和在恶劣工作环境下工作计算机控制系统,对系统安全性、可靠性、可用性要求更高。双冗余系统两个模块同时实施一样操作,在其中一个模块出现故障时候,能够自动判定切换,以确保系统稳定、可靠、不间断工作。双冗余系统不仅有较高可靠性,而且有很高安全性,所以在控制领域中可广泛应
4、用。关键词:CAN总线;单片机;双冗余系统;目 录第1章 绪论11.1 CAN总线发展11.2 CAN通信特点11.3 CAN总线应用2第2章 课程设计方案32.1 系统整体结构32.2系统设计方案选择42.2.1主控机选择42.2.2现场总线收发器选择42.2.3现场总线控制器选择5第3章 系统硬件设计63.1单片机最小系统设计63.2总线控制器设计73.3总线收发器设计83.4总体连接图9第4章 软件设计104.1 主程序步骤图104.2接收中止服务程序步骤图114.3系统程序13第5章 课程设计总结16参考文件17第1章 绪论1.1 CAN总线发展CAN (Controller Area
5、 Network) 是现场总线一个,即控制器局域网,CAN 是一个有效支持分布式控制或实时控制串行通信网络,是由德国Bosch 企业为汽车监测和控制系统而设计, 现在 CAN总线规范已被国际标准化组织 ISO 制订为国际标准 ISO11898,并得到了 Motorola,Intel,Philips 等大半导体器件生产厂家支持,快速推出多种集成有 CAN 协议产品,用于汽车内部检测部件和实施部件间数据通讯。但 随 着 时 间 发 展 ,其应用范围已不再局限于汽车工业,仅在中国,其应用已遍布过程控制、机械工业、智能建筑、智能电器、化学工业、码头货运、分布管理等领域,而且得到了快速发展。CAN总线已
6、形成国际标准,并已被公认为多个最有前途现场总线之一 。1.2 CAN通信特点和其它同类技术相比,CAN在可靠性、实时性、和灵活性方面含有独特技术优势,其关键技术特点为:(1)CAN总线上任一节点均可在任意时刻主动地向其它节点提议通信,节点不分主从,通信方法灵活。(2)可将CAN总线上节点信息,按对实时性要求紧急程度,分成不一样优先级,最高优先级数据可在最多134s内得到传输,以满足控制信息通信要求。(3)CAN采取载波监听堕落访问、逐位仲裁非破坏性总线仲裁技术。一是先听再讲,二是当多个节点同时向总线发送报文而引发冲突时,优先级较低节点会主动地退出发送,而最高优先级节点可不受影响继续传输数据,从
7、而大大节省了总线冲突仲裁时间。(4)CAN直接通信距离最远可达10Km(速率5Kb/s以下);通信速率最高可达1Mbps(此时通信距离最长为40m)。(5)CAN上节点数关键决定于总线驱动电路,现在可达110个,报文标示符可达2032种(CAN2.0A),而扩展标准(CAN2.0B)报文标识符几乎不受限制。(6)采取短帧结构,传输时间短,受干扰概率低,含有极好检错效果。(7)CAN节点中均设有犯错检测、标定和自检强有力方法。犯错检测方法包含发送自检、循环冗余码检验、位填充和报文格式检验。所以数据犯错率低。(8)CAN总线通信介质可为双绞线、同轴电缆或光线,选择灵活。1.3 CAN总线应用伴随汽
8、车电子技术发展,消费者对于汽车功效要求越来越多,汽车上所用电控单元不停增多,电控单元之间信息交换需求,使得电子装置之间通讯越来越复杂,同时意味着需要更多连接信号线,这就促进了车用总线技术发展。CAN 总线出现,就是为了降低不停增加信号线,全部外围器件全部能够被连接到总线上 因为CAN总线含有可靠性高、实时性好、成本合理等优点,逐步被应用于如船舶、航天、工业测控、自动化、电力系统、楼宇监控等其它领域中。电量采集及计量系统是一个较新领域,包含专业多,系统管理计量点数量庞大。系统包含数十个变电站,数百多个计量点,应用最优异计算机网络通信和控制技术,采取分层、分布、开放型结构,充足考虑了系统功效全方面
9、性、实用性,实现变电站电能量自动采集、传输、存放、分析、计费、管理、监控和WEB 公布功效。现在在局域网上用户经过IE 浏览器即可浏览该系统采集各厂站电能量数据;可了解到天天各市各县供电量;可全方面掌握电子式电能表多种运行参数;可了解到各厂站天天母线不平衡率、主变线损、全站线损情况。同时该系统可和全市大用户负荷管理系统接口,可深入了解到各联络线线损和专线线损情况。系统经过当地移动通讯部门,将手机卡安装在用户端加装电量采集终端内,利用无线通讯技术和网络,随时采集用户计费表表码、电流、电压、功率、失压统计等多种运行数据,实现了远程自动抄表、数据对比分析。假如用户端有窃电行为,预设报警功效可立即提醒
10、。第2章 课程设计方案2.1 系统整体结构本系统以MSP430F149单片机作为主控机,设计了一个基于CAN总线双机冗余系统设计方案,预防在其中一套系统出现故障时,另一套系统能立即开启,替换工作。总体结构是经过单片机连接总线控制器、总线收发器、总线切换器,进行数据传输并控制工作。本方案以MSP430F149单片机作为主控关键,和CAN总线控制器SJA1000完成通信协议。CAN总线收发器TJA1050、总线切换器、总线控制器等模块组成关键主控制模块。 总线切换器进行主站从站工作切换,使当系统发生故障时,冗余配置部件介入并负担故障部件工作,由此降低系统故障时间。系统设计总体方框图图2.1所表示。
11、图2.1为总体框图2.2系统设计方案选择依据上述系统要求,本系统应由主控制器、现场总线收发器、现场总线控制器、上位机等几部分组成。主控机和实施器选型关系到系统实用性、经济性和可靠性等方面,所以器件选型显得尤为关键。下面依次对各个组成部分进行选择。2.2.1主控机选择常见主控机是方案一中单片机,但此次课程设计,考虑到节省成本,方便简单等方面综合原因,选择方案二中单片机作为主控制器。考虑到本系统程序部分较大,而且要求经济实用,处理速度快,综合考虑选择方案二。方案一:采取AT89C51单片机作为主控制器,AT89C51片内存放器采取闪速存放器,使程序写入更方便;芯片尺寸小,使整个硬件电路更小。另外价
12、格低廉、性能比较稳定,CPU含有8K8ROM、2568RAM、2个16位定时计数器、4个8位I/O接口。AT89C51是一个低功耗、低电压、高性能8位单片机。方案二:采取MSP430F149单片机作为主控机。MSP430F149含有低成本和超低功耗特点,闪存高达16KB,含有通用串行通讯接口和10位ADC,处理速度极快。MSP430F149是一个16位处理器单片机,和8位单片机相比占绝对优势。2.2.2现场总线收发器选择总线一个很关键 特点是它对多通信介质支持 。CAN总线能够依据不一样现场环境选择不一样收发器和介质。在此次课程设计中,要求总线连接110个节点,速率达成1Mbps,不过因为TJ
13、A1050在待机模式下关闭发送器和过热保护等愈加完善功效,所以此次课程设计中现场总线收发器,选择方案一,即TJA1050总线收发器。方案一:TJA1050收发器。TJA1050收发器是 Philips企业生产、用以替换PCA82C250高速CAN总线收发器。该器件提供了CAN控制器和物理总线之间接口和对CAN总线差动发送和接收功效。TJA1050和ISO11898标准完全兼容,含有过热保护,总线和电源及地之间有短路保护功效。方案二:PCA82C250/251收发器。PCA82C250/251收发器是协议控制器和物理传输线路之间接口。此期间对总线提供差动发送能力,对CAN控制器提供差动接收能力,
14、能够在汽车和通常工业应用上使用。PCA82C250/251收发器完全符合ISO11898标准高速率,最高可达成1Mbps,可连接110个节点,工作温度范围为-40125。2.2.3现场总线控制器选择根据此次课程设计具体要求,而且考虑到成本和安全性能,此次课程设计总线控制器选择方案一,即SJA1000控制器。方案一:82C200总线控制器。有PAC82C200和PCF82C200两种类型。前者使用温度范围为-40+125,适适用于汽车及一些军用领域;后者适适用于通常工业领域,温度范围是-4080。82C200含有完成高性能通信协议所要求必需特征。经过简单地连接即可完成CAN总线协议物理层和数据链
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