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Can总线通信研究与硬件设计.rar

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    编号:20180914220055948    类型:共享资源    大小:9.05MB    格式:RAR    上传时间:2018-09-15
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    Can 总线 通信 研究 硬件 设计
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    太 原 理 工 大 学 毕 业 设 计 (论 文 )用 纸iCan 总线通信研究与硬件设计摘 要CAN 总线是控制器局域网总线(Controller Area Network)的简称。属于现场总线的范畴,是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN 总线是一种多主方式的串行通讯总线,是国际上应用最广泛的现场总线之一,现已被应用到各个自动化控制系统中,从高速的网络到低价位的多路接线都可以使用 CAN 总线。CAN 总线是一种全双工通信的串行通信网络,属于现场总线的一种,它的数据通信功能强大,能够有效的支持分布式控制或实时控制系统。相比与其它现场总线,CAN 总线具有通信快、效率高、易实现、可靠性高等优势,现在已经在很多领域中都得到了应用。本文重点就基于单片机的 CAN 总线通信设计的实现进行介绍,通过 CAN 控制器以及 CAN 收发器把串口发送来的数据转换成 CAN 通信的数据,然后又把数据转换成串口通信数据回发给计算机,实现数据的自发自收。关键词 CAN 总线;通信;现场总线太 原 理 工 大 学 毕 业 设 计 (论 文 )用 纸iiCAN bus communication research and hardware designAbstractCAN bus is the Controller LAN bus (Controller Area Network). Belongs to the category of the fieldbus, and is an effective support distributed control or real-time control of serial communication network. CAN bus is a main way of serial communication bus, is one of the most widely used field bus in the world, has now been applied to various automation control system, from the network to the low price of multiplex wiring CAN bus CAN be used. CAN bus is a full-duplex communication serial communication network, belongs to a kind of fieldbus, it has powerful data communication function, CAN effectively support distributed control or real-time control system. Compared with other field bus, CAN bus communication is fast, high efficiency, easy realize and high reliability advantages, now has been applied in many fields. This paper is based on single chip microcomputer, introduces the implementation of the CAN bus communication design through the CAN controller and CAN transceiver to a serial port to send data into the CAN communication data, and then send data into the serial communications data back to the computer, realizing data of spontaneous. Key words CAN bus ; Communication ; The fieldbus太 原 理 工 大 学 毕 业 设 计 (论 文 )用 纸ii目 录摘 要 ..............................................................iAbstract .............................................................ii第一章 绪 论 .........................................................1一、 课题背景 .....................................................1二、 选题目的 .....................................................1三、 选题意义 .....................................................1第二章 单片机简介 ....................................................1一、 单片机最小系统 ...............................................1(一) 晶体振荡器电路 .........................................3(二) 复位电路 ...............................................4(三) Max232 接口电路 .........................................5第三章 CAN 总线介绍 ...................................................8一、 CAN 总线基本概念 .............................................8二、 CAN 总线的发展概况 ...........................................9三、 CAN 总线协议 ................................................11第四章 硬件设计原理及方案 ...........................................14一、 硬件设计原理 ................................................14(一) 、 微控制器 STC89C52RC 简介 ..............................14(二) 、 单片机最小系统 .......................................15(三) 、 CEPARK MCP2515 .......................................16第五章 硬件设计方案 .................................................20一、硬件总体设计 ..................................................20二、用 Pico 示波器进行 can 总线解码分析 .............................20(一) can 总线上传输的电平特点 ................................21(二) 解码设置 ...............................................21(三) 从 picoscop6 中设置解码数据 .............................21第六章 结果分析 .....................................................23一、 STC 单片机 ISP 控制软件进行实际操作演示 ......................23二、 单片机与 can 总线的连接。 ....................................24三、 点对点通信的实现 ............................................25四、 实现通讯结果的测试 ..........................................26结 论 .............................................................28致 谢 .............................................................29参考文献 .............................................................30外文原文 .............................................................31中文翻译 .............................................................37太 原 理 工 大 学 毕 业 设 计 (论 文 )用 纸1第一章 绪 论一、 课题背景随着控制技术、计算机技术和通信技术的飞速发展,数字化仪器仪表的成熟和广泛应用,数字化作为一种趋势正在从工业生产过程的决策层、管理层、监控层和控制层一直渗透到现场设备。为了把具有信息处理和控制功能 的各种现场设备连接成网络系统,现场总线技术出现了。现场总线技术将专 用微处理器置入传统的测量控制仪表,使其具有数字计算和数字通信能力,成为能独立承担某些检测、控制和通信任务的网络节点。通过普通双绞线把 多个测量控制仪表、计算机等作为节点连接成网络系统;使用公开、规范的通信协议,在位于生产控制现场的多个微机化测控设备之间、以及现场仪表与用作监控、管理的远程计算机之间,实现数据传输与信息共享,形成各种适应实际需要的自动控制系统。开放的、可互操作的现场总线控制系统把通信总线一直延伸到现场设备,使许多现场设备可在同一总线上进行双向多信息数字通信,实现了信号传输全数字化和计算机测控网络化。二、 选题目的CAN 是 Controller Area Network 的缩写(以下称为 CAN) ,是 ISO 国际标准化的串行通信协议。在当前的汽车产业中,出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求,各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于 CAN 的高性能和它的可靠性,CAN 已经在越来越多的领域中使用和发展,利用 CAN 总线进行数据通信非常便捷快速稳定,本文就针对 CAN 总线通信进行研究和探讨。三、 选题意义从技术进步的角度看,无论从控制的功能完善性,安全性,节省电缆上,还是信息量的获得上,现场总线技术有着无可比拟的优越性,具有良好的发展前景。随着集成电路和单片机在汽车上的广泛应用,汽车上电子控制单元越来越多,汽车总线已经成为汽车电气的一个必然的趋势。使用汽车总线不但可以简化线束,更主要的是可以增加各种智能化的功能。如故障检测和语音报警等。CAN 总线是德国 Bosch 公司为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议。它是一种多主总线,通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维,通信速率可达1Mbps,距离可达 10km。CAN 协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码,而代之以对通信数据块进行编码,使网络内的节点个数在理论上不受限制。由于 CAN 总线具有较强的纠错能力,支持差分收发,因而适合高干扰环境,并具有较远的传输距离。因此,CAN 协议对于许多领域的分布式测控很有吸引力。太 原 理 工 大 学 毕 业 设 计 (论 文 )用 纸1第二章 单片机简介一、 单片机最小系统单片机的最小系统就是让单片机能正常工作并发挥其功能时所必须的组成部分,也可理解为是用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对 51 系列单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、时钟电路、复位电路等。单片微型计算机简称单片机,是典型的嵌入式微控制器(Microcontroller Unit) ,常用英文字母的缩写 MCU 表示单片机,它最早是被用在工业控制领域。由于单片机在工业控制领域的广泛应用,为使更多的业内人士、学生、爱好者,产品开发人员掌握单片机这门技术,于是产生单片机开发板,比较有名的例如电子人 DZR-01A 单片机开发板。单片机由芯片内仅有 CPU 的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU 集成在一个芯片中,使计算机系统更小,更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL 的 Z80 是最早按照这种思想设计出的处理器,从此以后,单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。早期的单片机都是 8 位或 4 位的。其中最成功的是 INTEL 的 8031,因为简单可靠而性能不错 获得了很大的好评。此后在8031 上发展出了 MCS51 系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高,开 始出现了 16 位单片机,但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90 年代后随着消费电子产品大 发展,单片机技术得到了巨大提高。随着 INTEL i960 系列特别是后来的 ARM 系列的广泛应用,32 位单片机迅速取代 16 位单片机的高端地位,并且进入主流市场。而传统的 8 位单片机的性能也得到了飞速 提高,处理能力比起 80 年代提高了数百倍。目前,高端的 32 位单片机主频已经超过 300MHz,性能直追 90 年代中期的专用处理器,而普通的型号出厂价格跌落至 1 美元,最高端的型号也只有 10 美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用,大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的 Windows 和 Linux 操作系统。单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统,因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有 1-2 部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备 40 多部单片机,复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作!单片机的数量不仅远超过 PC 机和其他计算的总和,甚至比人类的数量还要多。单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机,和计算机相比,单片机只缺少了 I/O 设备。概括的讲:一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时,学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。单片机内部也用和电脑功能类似的模块,比如CPU,内存,并行总线,还有和硬盘作用相同的存储器件,不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多,不过价钱也是低的,一般不超过 10 元即可,用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒太 原 理 工 大 学 毕 业 设 计 (论 文 )用 纸2洗衣机、排烟罩、VCD 等等的家电里面都可以看到它的身影,它主要是作为控制部分的核心部件。它是一种在线式实时控制计算机,在线式就是现场控制,需要的是有较强的抗干扰能力,较低的成本,这也是和离线式计算机的(比如家用 PC)的主要区别。单片机芯片单片机是靠程序运行的,并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能,尤其是特殊的独特的一些功能,这是别的器件需要费很大力气才能做到的,有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国 50 年代开发的 74 系列,或者 60 年代的 CD4000 系列这些纯硬件来搞定的话,电路一定是一块大 PCB 板。但是如果要是用美国 70 年代成功投放市场的系列单片机,结果就会有天壤之别。只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能,高效率,以及高可靠性。由于单片机对成本是敏感的,所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言,它是除了二进制机器码以上最低级的语言了,既然这么低级为什么还要用呢?很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢?原因很简单,就是单片机没有家用计算机那样的 CPU,也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮,也会达到几十 K 的尺寸。对于家用 PC 的硬盘来讲没什么,可是对于单片机来讲是不能接受的。单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行,所以汇编虽然原始却还是在大量使用。一样的道理,如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用PC 上来运行,家用 PC 的也是承受不了的。可以说,二十世纪跨越了三个“电”的时代,即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过,这种电脑,通常是指个人计算机,简称 PC 机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机,大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机(亦称微控制器) 。顾名思义,这种计算机的最小系统集成电路,即可进行简单运算和控制。因为它体积小,通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中,起着有如人类头脑的作用,它出了毛病,整个装置就瘫痪了。现在,这种单片机的使用领域已十分广泛,如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机,就能起到使产品升级换代的功效,常在产品名称前冠以形容词——“智能型” ,如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品,不是电路太复杂,就是功能太简单且极易被仿制。究其原因,可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。太 原 理 工 大 学 毕 业 设 计 (论 文 )用 纸3图 2-1 单片机实物图(一) 晶体振荡器电路51 单片机上的时钟管脚为 XTAL1(19 脚)芯片内部振荡电路输入端XTAL2(18 脚)芯片内部振荡电路输出端。XTAL1 和 XTAL2 是独立的输入和输出反相放大器,在 XTAL1、XTAL2 的引脚上外接定时元件:一个石英晶体和两个电容,太 原 理 工 大 学 毕 业 设 计 (论 文 )用 纸4内部振荡器便能产生自激振荡。在设计中采用 12M 的石英晶振,和晶振并联的两个电容的大小对振荡频率有微小影响,可以起到频率微调作用本次设计采用 33pF的陶瓷电容。晶体振荡器 石英晶体振荡器是一种高精度和高稳定度的振荡器,被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中,以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。石英晶体振荡器是利用石英晶体(二氧化硅的结晶体)的压电效应制成的一种谐振器件,它的基本构成大致是:从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片(简称为晶片,它可以是正方形、矩形或圆形等) ,在它的两个对应面上涂敷银层作为电极,在每个电极上各焊一根引线接到管脚 上,再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器,简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装,也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。国际电工委员会(IEC)将石英晶体振荡器分为 4 类:普通晶体振荡(SPXO) ,电压控制式晶体振荡器(VCXO) ,温度补偿式晶体振荡(TCXO) ,恒温控制式晶体振荡(OCXO) 。目前发展中的还有数字补偿式晶体损振荡(DCXO)微机补偿晶体振荡器(MCXO)等等。图 2-2 单片机实物图(二) 复位电路在单片机系统中,复位电路是非常关键的,当程序跑飞(运行不正常)或死机(停止运行)时,就需要进行复位。MCS-5l 系列单片机的复位引脚 RST(第 9管脚)出现 2 个机器周期以上的高电平时,单片机就执行复位操作。如果 RST 持续为高电平,单片机就处于循环复位状态。 本设计采用上电自动复位,上电瞬间,电容两端电压不能突变,此时电容的负极和 RESET 相连,电压全部加在了电阻上,RESET 的输入为高,芯片被复位。随之+5V 电源给电容充电,电阻上的电压逐渐减小,最后约等于 0,芯片正常工作。一般来说,只要 RST 管脚上保持 10ms 以上的高电平,就能使单片机有效的复位。单片机毫无疑问是直流电源供电的,也就是它的工作环境是在直流电源下,它的太 原 理 工 大 学 毕 业 设 计 (论 文 )用 纸5所有的控制信号端就不会是交流的!由于单片机在加电时它的程序记数器,输入输出端,寄存器等等状态不确定。所以必要在上电时给它一个清零信号。清零信号是直流也不是交流。那么为什么要用电容呢?这是因为清零信号瞬间就可以完成对单片机的清零工作,清零后又要马上将清零信号撤掉。所以用电容的上电时相当于短路,静态时相当于开路的特点通过和电阻的配合完成对单片机的清零。电源一接通,电源通过 RC 串联电路给电容充电,这一充电电流在 R 上产生电压降,这一电压就产生了清零电压。当电容上的电压充到接进电源电压以后,由于电容上的电压是与电源电压大小相等方向相反的,充电停止,此种状态就是隔直状态。这也刚好清零工作已经完成并且清零的信号也就消失了。电容的交流通过的工作过程是电容始终是处在充电放电的交替之中,如图 2-3 所示:图 2-3 复位电路电路图(三) Max232 接口电路单片机和 PC 机通过串口进行通信,尽管单片机有串行通信的功能,但单片机提供的信号电平和 RS232 的标准不一样,因此要通过 max232 这种类似的芯片进行电平转换,太 原 理 工 大 学 毕 业 设 计 (论 文 )用 纸6如图 2-4 所示:图 2-4 max232 电路转换图各个引脚的功能如表 2-1:表 2-1 各个引脚功能引脚 定义 符号1 载波检测 DCD2 接收数据 RXD3 发送数据 TXD4 数据终端准备好 DTR5 信号地 SG6 数据准备好 DSR7 请求发送 RTS8 清除发送 CTS
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