1、<p>　　本科畢業(yè)設計(論文)</p><p><b>　?。ǘ?屆）</b></p><p>　　CAN總線中繼器設計-電路設計</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 電子信息工程 </p

2、><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　

3、CAN中繼器是網絡物理層上面的連接設備。適用于完全相同的兩類網絡的互連，主要功能是通過對數據信號的重新發(fā)送或者轉發(fā)，來擴大網絡傳輸的距離以及增加節(jié)點的最大數目，是CAN組網的關鍵設備之一。</p><p>　　本設計首先簡要分析了國內外CAN總線中繼器的設計，并對CAN總線的原理進行了研究和吸收。在此基礎上設計了以LPC2294為主控MCU的中繼器。詳細闡述了中繼器的硬件組成和工作原理，單獨設計了CAN總線接口電

4、路。由于LPC2294含有4個CAN接口，所以無需再設計CAN控制器，由MCU執(zhí)行完整的CAN協議，完成通訊的功能。CAN收發(fā)器則實現MCU與總線間邏輯電平信號的轉換?？紤]到驅動及功耗的問題，在兩者之間還添加了三極管，以增大驅動能力。由于LPC2294的使用電源為3.3V以及1.8V，所以本文還介紹了電源部分的設計。為了保證數據的完整性以及傳送的可靠性，對于電路還采取了一些抗干擾的措施。此外，還外擴了一個高性能的SRAM，以實現數據的存

5、儲及快速的轉發(fā)。</p><p>　　在理論上，此次設計的CAN總線中繼器在使用過程中可以增加聯網的節(jié)點數，延長網絡的傳輸距離，降低網絡延遲。本文的研究內容具有普遍的意義。</p><p>　　關鍵詞：CAN總線；中繼器；LPC2294</p><p>　　Can bus repeaters design-the circuit design</p>

6、<p><b>　　Abstract</b></p><p>　　CAN Repeaters is a network connection of above the physical equipment. Suitable for exactly the same two kinds of network interconnection, main function is bas

7、ed on the data signals to send or forwarding, to expand the network transmission distance, and increase the maximum number of nodes, is one of the key equipment CAN networking.</p><p>　　This design first bri

8、efly analyzes the domestic and foreign the can bus Repeaters design, and the principle of CAN bus was studied and absorption. On the basis LPC2294 as the controller is designed for the Repeaters MCU. Expounded the Repeat

9、ers hardware and working principle, separate design the CAN bus interface circuit. Because LPC2294 contains four CAN interface, so need not design by MCU CAN controller, perform a complete CAN agreement, complete communi

10、cation function. The can transceiver is</p><p>　　In theory, the design of CAN bus Repeaters in use process CAN increase the number of nodes in the network, the transmission distance prolong the network, redu

11、ce the network delay. This research content is of general significance.</p><p>　　Keywords:CAN bus；Repeater；LPC2294</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b><

12、;/p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1課題的來源1</p><p>　　1.2課題的意義1</p><p>　　1.3 課題研究的主要內容及方法1</p><p>　　2 CAN總線中繼器的

13、設計原理3</p><p>　　2.1 CAN總線的性能特點3</p><p>　　2.2 CAN總線的技術規(guī)范4</p><p>　　2.3 CAN總線中繼器國內外發(fā)展現狀6</p><p><b>　　3總體設計方案7</b></p><p>　　3.1系統功能描述及要求7<

14、/p><p>　　3.2 設計方案8</p><p><b>　　3.3設計要點8</b></p><p>　　3.4芯片的選擇9</p><p>　　4系統硬件設計12</p><p>　　4.1 CAN控制電路12</p><p>　　4.2 CAN接口電路13

15、</p><p>　　4.3電源的設計14</p><p>　　4.4 復位電路15</p><p>　　4.5 UART電路16</p><p>　　4.6其余電路16</p><p>　　4.6.1外部存儲器電路16</p><p>　　4.6.2 LED顯示電路18</p

16、><p>　　4.6.3調試與測試電路18</p><p>　　4.7 硬件抗干擾技術19</p><p><b>　　結論22</b></p><p><b>　　參考文獻23</b></p><p>　　致謝錯誤!未定義書簽。</p><p>

17、;　　附錄圖1 硬件設計原理圖24</p><p>　　附錄圖2 PCB印制板圖25</p><p>　　附錄3 材料清單26</p><p>　　附錄4 流程圖及程序27</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1課題的來源</b&g

18、t;</p><p>　　CAN 作為控制器局域網絡,屬于工業(yè)現場總線的范疇。與一般的通信總線相比,CAN總線的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。由于其良好的性能及獨特的設計,CAN總線越來越受到人們的重視及應用。例如汽車電子、自動控制、電力系統、安防監(jiān)控等領域。隨著CAN總線網絡區(qū)域的擴大，2個節(jié)點之間的直接數據傳送難以滿足遠距離通信要求。并且在使用過程中因為存在總線長度超過限制、網絡布線復雜、節(jié)點數超

19、過限制、節(jié)點協議不同、需要降低子網負荷、增加傳輸速率等情況，因此需要CAN總線交換機來隔離總線、中繼信號。根據實際使用場合和功能要求有很大的可能需要定制CAN總線協議和設備。</p><p><b>　　1.2課題的意義</b></p><p>　　CAN總線是現階段應用最廣泛的現場總線之一。盡管CAN總線有很多優(yōu)點，但是下面兩點卻制約著其發(fā)展：</p>

20、<p>　?。?） 傳輸距離最大只能達到10Km，而且并不是真正的可靠傳輸;</p><p>　　（2） 節(jié)點數量最多只能有110個。</p><p>　　CAN總線一般都是在環(huán)境比較惡劣，控制室與現場比較遠的場合中使用。尤其是當傳輸的距離比較遠時，由于各種干擾的存在，其數據可能出現錯誤，總線電壓差值較小是其中主要的原因的緣故之一。為了解決這個問題，有的人采用升壓，有的人采用降

21、壓等電路，但是因為每個接收器都得增加一個調理電路，這樣實物的造價很明顯就上去了，所以這些都是不現實的。另外，即使升壓了，由于CAN總線技術規(guī)范中按照仲裁發(fā)送決定了總要遇到由于延遲而形成閉合回路的問題。</p><p>　　為了解決遠距離傳輸的問題，可以在中間加入CAN總線中繼器。選擇使用合適的MCU能夠及時處理CAN總線上的數據，使得設計也變得比較簡單，不需考慮CAN總線兩邊的數據發(fā)送沖突。只要MCU有1K的緩存

22、就可以。這個設計不僅解決了遠距離傳輸的問題，而且可以滿足數據傳輸的可靠性。</p><p>　　1.3 課題研究的主要內容及方法</p><p><b>　　主要內容：</b></p><p>　　CAN總線是一種常見的現場總線之一，通信介質選擇廣泛，可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。通信速率可高達1MBPS。利用CAN總線中繼器達到遠距離傳輸

23、的目的。本設計的主要內容包括以下幾部分：</p><p>　　(1)CAN接口電路設計；</p><p>　　(2)中繼和轉發(fā)機制設計；</p><p>　　(3)電源電路設計；</p><p>　　(4)遠程程序下載。</p><p><b>　　研究方法：</b></p><

24、;p>　　(1)本文對CAN總線的原理進行充分的消化和吸收；</p><p>　　(2)運用Protel等畫圖工具設計系統的硬件電路原理圖，并制作PCB印制電路板；</p><p>　　(3)對系統進行適當的硬件抗干擾設計。</p><p>　　2 CAN總線中繼器的設計原理</p><p>　　2.1 CAN總線的性能特點</p

25、><p>　　CAN總線是一種常見的現場總線，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維,選擇靈活。由于其高性能、高可靠性、及獨特的設計等優(yōu)點，CAN越來越受到人們的重視。其應用范圍廣泛，有汽車行業(yè)、過程工業(yè)、機械工業(yè)、紡織機械、農用機械、機器人、數控機床、醫(yī)療器械及傳感器等領域[3]。CAN已經形成國際標準，并己被公認為幾種最有前途的現場總線之一。</p><p>　　CAN屬于總線式串行通信

26、網絡，由于其采獨特的設計，較高的性能，與一般的通信總線相比，CAN總線的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。其特點可概括為：</p><p>　　（1）利用CAN 控制器將控制模塊連接到CAN總線上，以此形成多主機局部網絡，并且具有仲裁功能和優(yōu)先權[13]。</p><p>　?。?）由報文的ID決定是否接收該報文。</p><p>　　（3）具有傳輸距離較遠

27、、實時性強、成本低、抗電磁干擾能力強等優(yōu)點。 </p><p>　　（4）在高噪聲干擾環(huán)境中也可以可靠的工作，因為它采用雙線串行通信方式，大大增加了檢錯能力[6]。</p><p>　　（5）采用短幀結構，傳輸時間短，受干擾概率低，具有極好的檢錯效果。</p><p>　?。?) 具有自動重發(fā)的功能。當發(fā)送的信息遭到破壞后，會將此信息重新發(fā)送。</p>

28、<p>　?。?）具有自動退出總線的功能，有時節(jié)點會出現嚴重的錯誤，此功能有效的解決這個問題[]。 </p><p>　　(8) 報文不包含源地址和目標地址，僅用標志符來指示優(yōu)先級信息和功能信息。</p><p>　?。?）CAN每幀信息都有CRC校驗及其它檢錯措施，保證了數據出錯率極低。</p><p>　?。?0）CAN采用非破壞性總線仲裁技

29、術，當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級高的顧名思義將率先進行數據的傳輸，以此往下排，而優(yōu)先級最低的節(jié)點會自動地退出發(fā)送。從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間。尤其是在網絡負載很重的情況下也不會出現網絡錯誤情況。</p><p>　?。?1）CAN協議的一個最大特點是廢除了傳統的站地址編碼，而代之以對通信數據塊進行編碼[17]。</p><p>　　2.2 CAN總線的技術規(guī)范</p&g

30、t;<p>　　CAN作為應用最為廣泛的總線之一，對于各應用領域通信報文的標準化至關重要。為此，1991年 的9月 PHILIPS 制訂并發(fā)布了 CAN技術規(guī)范（VERSION 2.0）。該技術規(guī)范包括了A和B兩個部分。2.0A給出了CAN報文格式的定義，并且能夠能提供11位地址；而2.0B給出了標準的和擴展的兩種報文格式，提供29位地址[11]。此后，又頒布了ISO11898，給CAN總線的發(fā)展又是錦上添花。</p

31、><p>　　1．CAN的一些基本概念</p><p>　?。?）報文：報文作為網絡中基本的數據傳輸，包含了將要發(fā)送的完整的數據信息，其長短可以不同。在傳輸過程中會不斷的封裝成分組、包、幀來傳輸，封裝的方式就是添加一些信息段，那些就是報文頭。</p><p>　　（2）位填充：一幀報文中的每一位都由不歸零碼表示,可保證位編碼的最大效率?？墒牵@樣又會產生很多問題，比如可

32、能會由于存在太多相同的電平為而失去同步。同步沿采用位填充產生，使得同步性大大提高。其方法為如果出現了五個連續(xù)的相同位，則在其后添加一個相反位。在數據接收時,刪除這個相反為。位填充就是讓CAN更加容易的檢查錯誤：如果在一幀報文中出現6個相同位,CAN就自動認定為發(fā)生了錯誤[8]。</p><p>　?。?）總線檢測：有時CAN中的一個節(jié)點可監(jiān)測自己發(fā)出的信號。因此,發(fā)送報文的站可以觀測總線的電平并且探測發(fā)送位和接收

33、位的差異。</p><p>　?。?）位仲裁：由于要對數據進行實時處理,所以必須將數據快速傳送,這就要求數據的物理傳輸通路有很高的速度。當幾個站同時需要發(fā)送數據時,就要求快速地將總線進行分配。實時處理通過網絡交換的數據有很大的不同。一個快速變化的物理量需要更頻繁地傳送數據并要求更短的延時。CAN總線進行數據傳送的格式以報文為單位,報文的優(yōu)先級在11位標識符中結合,具有最低二進制數據的標識符有最高的優(yōu)先級[1]。這

34、種優(yōu)先級具有唯一性和確定性，即一旦被系統確立后就無法再更改。總線讀取中的沖突便可通過位仲裁來解決。</p><p>　?。?）幀檢查：所謂幀檢查就是通過檢查幀的格式與大小來確定報文的正確性,主要用于檢查格式上的一些錯誤。</p><p>　　（6）循環(huán)冗余檢查：為了確保一幀報文的準確性，在其中加入冗余檢查位，這樣就可以保證報文正確。接收站通過CRC檢查來判斷報文是否出錯。 </p&g

35、t;<p>　　（7）數據錯誤檢測：不同于其它總線,CAN協議不能使用應答信息。但是它可以將發(fā)生的任何數據錯誤用信號發(fā)出[15]。</p><p>　?。?）連接：CAN串行通信線路是一條眾多節(jié)點均可被連接的總線，理論上，單元數目是無限的，實際上，節(jié)點總數受限于延遲時間和總線的電氣負載。</p><p>　　CAN協議可使用五種檢查錯誤的方法,其中前三種是根據報文的內容檢查。

36、 </p><p>　　2 CAN的報文格式</p><p>　　在總線中傳送的報文,每幀由7個部分組成。CAN協議有兩種報文格式,它們的區(qū)別在于標識符的長短不同,標準格式為11位,擴展格式為29位[19]。在標準格式中,報文的第一位稱為幀起始,接下來是由11位標識符與遠程發(fā)送請求位 (RTR)組成的仲裁場。RTR位的作用是標明數據幀還是請求幀,在請求幀中不包括數據字節(jié)。 　</p&

37、gt;<p>　　控制場由標識符擴展位(IDE)及一個保留位 (ro)組成,其中前者的作用是之處其格式為標準格式還是擴展格式，后者為留給將來擴展使用[6]。用來指明數據場中數據的長度(DLC)的是最后四個字節(jié)。數據場包含有0～8個字節(jié),其后有一個用于檢測數據錯誤的循環(huán)冗余檢查(CRC)。 　　</p><p>　　應答位和應答分隔符組成了應答場(ACK)。發(fā)送站以隱性電平(邏輯1)的方式發(fā)送這兩位,

38、這時正確接收報文的接收站發(fā)送主控電平(邏輯0)將它覆蓋掉。使用這種方法的好處是可以保證網絡中至少有一個接收站能夠正確的接收到該報文[16]。 　　</p><p>　　報文的最后一位由幀結束標出。在相鄰的兩條報文之間有一個很短的間隔位,當沒有站進行總線存取時,總線將處于空閑的狀態(tài)。</p><p><b>　　2 錯誤的類型</b></p><p&

39、gt;　　在CAN總線中有5種不同錯誤的類型。</p><p>　　位錯誤：將總線電平與發(fā)送的位電平進行比較，當兩者的電平出現不同時，則表明在該位時刻，出現了一個位錯誤。</p><p>　?。?）填充錯誤：如果在一幀報文中出現了6個相同位,CAN就自動認定為發(fā)生了一個位填充錯誤。</p><p>　?。?）CRC錯誤：CRC序列是由發(fā)送器CRC計算的結果組成的。如

40、接收器的計算結果與接收到的CRC序列不相同，則檢出一個CRC錯誤。</p><p>　　（4）形式錯誤：當固定形式的位場中出現一個或多個非法位時，則檢出一個形式錯誤。</p><p>　　（5）應答錯誤：所謂應答錯誤，顧名思義就是如果發(fā)送站沒有收到接收站明確的應答,那么表明幀中出現了錯誤,也就是說,ACK場已損壞或網絡中的報文無站接收[14]。</p><p>　　

41、2.3 CAN總線中繼器國內外發(fā)展現狀</p><p>　　其它現場總線相比,CAN總線具有很多的優(yōu)點，比如通信速率高、容易實現、且性價比高等。是一種已形成國際標準的現場總線。正是這些特點，使得CAN總線應用于眾多領域,具有強勁的市場競爭力。 現場總線是當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一,被譽為自動化領域的計算機局域網。它的出現使分布式控制系統各節(jié)點之間的數據通信更加實時、可靠。為很多系統提供了強有力的技術支持。同

42、時采用CAN總線可以降低網絡布線的復雜性，提高可靠性和靈活性。在國內外有不少CAN總線中繼器的設計，比如有使用一片MCU加2路CAN控制器的結構實現中繼器；基于獨立雙CAN控制器的中繼器設計；雙MCU的CAN總線中繼器的設計。上述方案電路復雜，MCU與CAN控制器通過外部總線連接，對于數據的傳輸有一定的延遲，并且降低了傳輸的速率，整體的可靠性與處理速度難以滿足日益發(fā)展的控制網絡的需求。也有基于ARM7 LPC2119的單芯片CAN總線中

43、繼器設計，相對于其它設計，此方案有其突出優(yōu)勢。不過LPC2119只有2路內置CAN控制器。本設計采用的是含有4路內置CAN控制器的LPC2294，而且考慮到功耗及驅動問題，利用三極管以增大相關芯片的驅動能</p><p><b>　　3總體設計方案</b></p><p>　　3.1系統功能描述及要求</p><p>　　中繼器是連接網絡線路的

44、一個重要系統，他的作用類似于物理層的功能，完成兩個網絡節(jié)點之間的物理信號的雙向轉發(fā)工作。中繼器作為最簡單的網絡互聯設備之一，如上所述，其職責就是在兩個節(jié)點的物理層上將按位傳遞信息按位傳遞，但同時還將信號進行存儲，然后調整放大。通過此系統延長了網絡的長度。再加上干擾和損耗的存在，在線路上傳輸的信號功率會逐漸衰減，衰減到一定程度時信號就會出現失真，最終導致接收錯誤。CAN總線中繼器就是為解決這一系列問題而設計的。它的主要任務就是連接完成物理

45、線路，放大衰減的信號，還原原來的數據。系統的功能要實現包括數據接收、數據傳輸、數據的轉發(fā)、系統復位、數據處理等幾個方面。</p><p>　　因為在數據的傳輸過程中有很多的干擾會影響到信號的正常準確的采集，所以在系統的設計中從器件的選擇到電路的設計，還有軟件的設計中都需要考慮到怎樣減小或消除這些干擾的方法。同時也要充分考慮到成本的問題。

46、 </p><p><b>　　3.2 設計方案</b></p><p>　　系統的工作過程是：系統上電，電源指示燈亮。當總線上有信號輸入時，CAN收發(fā)器82C250接收數據，相應的指示燈亮。在LPC2294的控制下，對總線上傳的數據信號再生放大，并保存到外部存儲器IS6

47、1LV51216中。接下來再將數據信號轉發(fā)到其它總線上。系統結構框圖如圖1所示。</p><p><b>　　圖1</b></p><p><b>　　3.3設計要點</b></p><p>　　(1)設計電源時，必須考慮各方面的因素，比如輸出的電壓、電流、功率；安全因素；電磁干擾；功耗限制；成本限制等。</p>

48、;<p>　　(2)過程中要充分考慮到各種干擾因素，盡量排除干擾。</p><p>　　(3)還要注意元件的功耗和驅動問題。</p><p><b>　　3.4芯片的選擇</b></p><p>　　CAN接口電路及電源的設計是本系統的核心，芯片的選擇即要滿足功能的實現，又要考慮到成本，易用等問題。硬件的設計主要用到的有MCU、C

49、AN收發(fā)器、外部SRAM、光電耦合器、復位電路、DC/DC模塊及相互之間連接設計所需器件。本文將對用到的幾種器件做簡要的介紹。</p><p><b>　　1.LPC2294</b></p><p>　　本系統應用于長距離的信號傳輸，周圍環(huán)境對信號的干擾很強，所以系統最好使用盡可能少的外圍擴展芯片，以提高系統運行的可靠性，所以要求使用的MCU具有片內足夠大的ROM和R

50、AM。LPC2294具有很高的性能價格比，完全滿足設計本系統的要求，因此在眾多的MCU類型中選取了Philips公司的ARM7系列的LPC2294。</p><p>　　LPC2294是基于一個支持實時仿真與跟蹤的 32 位ARM7TDMI-STM CPU，并帶有256 k 字節(jié)(kB)嵌入的高速 Flash 存儲器。其中128 位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構能夠使得 32 位代碼在最大時鐘速率下運行[10]

51、。</p><p>　　由于 LPC2294的144 腳封裝、極低的功耗、多個 32位定時器、8 路10位 ADC、4路 CAN、PWM 通道以及多達 9 個外部中斷使它們特別適用于汽車、工業(yè)控制應用。再加上獨特的內置寬范圍的串行通信接口，使得它們也非常適合于協議轉換器、通信網關、以及其它各種類型的應用。它的主要特性有：</p><p>　?。?）內置16 kB 靜態(tài) RAM 和 256k

52、B 高速Flash 程序存儲器。；</p><p>　?。?）4個互連的 CAN 接口，帶有先進的驗收濾波器。別且內置多個串行接口，包括 2 個 16C550工業(yè)標準 UART、高速 I2C 接口（400 kbit/s）和 2 個 SPI 接口；</p><p>　　（3）通過外部存儲器接口可將存儲器配置成 4 組，每組的容量高達 16Mb，數據寬度為 32 位；</p>&

53、lt;p>　?。?）多達 112 個通用 I/O 口（可承受 5V 電壓），9 個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷引腳；</p><p>　?。?）2 個低功耗模式：空閑和掉電；</p><p><b>　?。?）雙電源</b></p><p>　?。瑿PU 操作電壓范圍：1.65～1.95 V(1.8 V±0.15V)</p&g

54、t;<p>　?。璉/O 操作電壓范圍：3.0～3.6 V(3.3 V±10%)</p><p>　　2.通用CAN 收發(fā)器</p><p>　　PCA82C50收發(fā)器是協議控制器和物理傳輸線路之間的接口。如ISO11898標準所描述，它可以用高達1Mbit/s的位速在兩條有差動電壓的總線電纜上傳輸數據。此器件對總線提供差動發(fā)送能力，并且對CAN 控制器提供差動接收

55、能力。</p><p>　　PCA82C250 共有三種不同的工作模式控制，通過 Rs 控制引腳提供：</p><p>　　第一種模式是準備模式。所謂準備模式，即在RS上接一個高電平。在這種模式下，發(fā)送器被關閉，而接收器轉至低電流。若在總線上檢測到顯性位（差動總線電壓 ＞ 0.9V），RXD 將變?yōu)榈碗娖?。MCU應將收發(fā)器轉回至正常工作狀態(tài)，以對此信號作出響應。</p>&l

56、t;p>　　第二種是斜率模式。對于較低速度或較短總線長度，可使用非屏蔽雙絞線或平行線作為總線。為了減少電磁輻射，這種模式的輸出轉換速度可被故意降低。</p><p>　　第三種是高速模式。在高速工作模式下，不采取任何措施用于限制上升斜率和下降斜率。適合于較長的總線長度。</p><p>　　下面是合適的斜率控制電阻 Rext 的阻值：</p><p>　　0

57、<Rext<1.8K 高速模式 VRS<0.3 Vcc</p><p>　　16.5K<Rext<140K 斜率控制模式 10μA<IRS<200μA</p><p>　　在本系統中，使用的是高速模式，Rext選擇為0.2K。</p><p>　　圖2 PCA82C250</p><p>　　其

58、引腳圖如圖2所示它主要特性有：</p><p>　　?（1）可連接 110 個節(jié)點 </p><p>　　?（2）未上電的節(jié)點對總線無影響</p><p>　　?（3）完全符合“ISO11898”標準</p><p><b>　　（4）熱保護</b></p><p>　　?（5）防止電池和

59、地之間的發(fā)生短路</p><p>　?。?）具有抗汽車環(huán)境中的瞬間干擾，保護總線能力</p><p>　　?（7）高速率（最高達 1Mbps）</p><p>　?。?）差分接收器，抗寬范圍的共模干擾，抗電磁干擾（EMI）</p><p>　　低壓差(LDO)穩(wěn)壓器</p><p>　　SPX1117 為一個低功耗正

60、向電壓調節(jié)器，經常用在一些高效率，小封裝的低功耗設計中。這款器件非常適合本設計的應用。SPX1117 有很低的靜態(tài)電流，在滿負載時其低壓差僅為 1.1V。當輸出電流減少時，靜態(tài)電流隨負載變化，并提高效率。SPX1117 可調節(jié)，以選擇 1.5V，1.8V，2.5V，2.85V，3.0V，3.3V 及 5V 的輸出電壓。</p><p>　　圖3 SPX1117</p><p>　　其引腳

61、圖如圖3所示，它的主要特性有：</p><p>　?。?）0.8A穩(wěn)定輸出電流</p><p><b>　?。?）3 端可調節(jié)</b></p><p><b>　?。?）低靜態(tài)電流</b></p><p>　?。?）8A 時低壓差為 1.1V</p><p>　?。?）2.2

62、uF 陶瓷電容即可保持穩(wěn)定</p><p><b>　　(6)溫度保護</b></p><p><b>　　4系統硬件設計</b></p><p>　　4.1 CAN控制電路</p><p>　　LPC2294內置4個CAN控制口，所以可以直接連接CAN收發(fā)器。但由于存在各種干擾，為了保證中繼器的可

63、靠，本設計在CAN收發(fā)器與CAN控制器之間添加了光電隔離電路。</p><p>　　LPC2294使用外部11.0592MHz晶振，使得串口波特率更精確，同時能夠支持ISP下載功能。2組電源供電：3.3V及1.8V。如圖4所示。</p><p><b>　　圖4</b></p><p>　　4.2 CAN接口電路</p><

64、p>　　接口電路是CAN 總線網絡中的重要環(huán)節(jié)，其可靠性與安全性直接影響到整個通信網絡的正常運行。如圖5示，CAN接口電路有三部分組成：光電耦合6N137、PCA82C250和DC/DC模塊。LPC2294的CAN控制口的穿行數出線和穿行輸入線分別通過光電隔離電路連接到收發(fā)器PCA82C250。收發(fā)器通過有差動發(fā)送和接收功能的兩個總線終端CANH和CANL連接到總線電纜。</p><p><b>

65、　　圖5</b></p><p>　　PCA82C250作為CAN控制器與物理總線間的接口，即CAN收發(fā)器,可以提高系統的驅動能力，增大通信距離，同時可以以增強對總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接收能力。在CAN 控制器與收發(fā)器之間設置光電耦合6N137是為了進一步增強抗干擾能力，而且可以減少CAN總線有效回路信號的傳輸延遲時間。每個CAN接口均采用帶隔離的DC/DC模塊單獨供電。本設計采用的

66、是IB0505LS芯片，此芯片占線路板空間小，隔離電壓高，耐沖擊性好。</p><p>　　CAN總線網絡的兩個端點通常要加入終端匹配電阻，以提高CAN總線節(jié)點的拓撲能力。本設計使用了分裂終端的方式，使用2個56Ω電阻匹配屏蔽雙絞線的特性阻抗?？紤]到芯片的驅動能力可能不夠，在電路中加入了三極管S9015，以增大驅動。</p><p><b>　　4.3電源的設計</b>

67、;</p><p>　　電源系統為整個系統提供能量，是整個系統工作的基礎，具體及其重要的地位，如果電源系統處理的好，那么整個系統的故障往往就減少了一大半。設計電源的過程實質是一個權衡的過程，必須考慮的因素有：輸出的電壓、電流和功率；安全因素；功耗限制；成本限制等。</p><p>　　LPC2294需要2組電源的輸入：3.3V和1.8V。電源的前級設計、末級設計與供給系統的電源輸入相關。這

68、里假設輸入為未經過穩(wěn)壓的9直流電源輸入。從LPC2294的數據手冊可知，其1.8V消耗電流的極限是70mA，其他部分無需1.8V電壓。這個系統在3.3V上消耗的電流與外部條件有很大的關系。因為系統對兩組電壓的要求比較高，切其功耗不是很大，所以采用低壓差模擬電源（LDO）。合乎技術的LDO芯片很多，Sipex半導體SPX1117是一個比較好的選擇，它的性價比較好。</p><p>　　盡管SPX1117的允許輸入電

69、壓可達20V，如此高的電壓必然會導致一些問題的出現，比如說散熱問題，芯片的溫度升高，對于其性能有很大的影響，而且散熱系統也不好設計。再考慮到輸如電壓對輸出電壓的影響，現在將前級的輸出選擇為5V。原因有兩個，一個是這個電壓滿足SPX1117的要求，二是很多器件還是需要5V供電的。</p><p><b>　　圖6</b></p><p>　　如圖6示，首先，由J2電源接

70、口輸入9V直流電源，二極管D1防止電源反接，經過C25，C26濾波，然后通過78M05將電源穩(wěn)定至5V，再使用SPX1117穩(wěn)壓輸出為3.3V及1.8V電壓。</p><p><b>　　4.4 復位電路</b></p><p>　　復位是將計算機系統中的硬件邏輯歸位到一個初始狀態(tài)，比如讓寄存器回復默認值等。復位是計算機系統中一個不可或缺部件，和時鐘系統有著同樣重要的

71、地位。如果一個計算機系統的復位電路不可靠，那么將帶來意想不到的麻煩。</p><p>　　LPC2294有2個復位源，外部復位和看門狗復位。本設計采用的是外部復位。所謂的外部復位就是通過把芯片的RESET引腳拉為低電平使芯片復位。LPC2294的RESET引腳為施密特觸發(fā)輸入引腳，帶有一個額外的干擾濾波器。該濾波器可以濾除非常短促的脈沖信號，使處理器不會被干擾脈沖意外復位。</p><p>

72、;　　為了保證任何情況下產生穩(wěn)定可靠的復位信號，本設計使用了專門的復位芯片—MAX708。MAX708作為一種微處理器監(jiān)控芯片，其復位信號可以分為兩種：高電平有效和低電平有效。而且這兩個信號可以同時輸出。復位信號可由VCC電壓、手動復位輸入、由獨立的比較器觸發(fā)三部分組成。</p><p><b>　　圖7</b></p><p>　　如圖7示，當復位鍵S1按下時，MA

73、X708的REST引腳立即輸出復位信號，使LPC2294芯片復位。</p><p>　　4.5 UART電路</p><p>　　由于系統電源時3.3V，所以應使用MAX3232ECAE進行RS232電平轉換，MAX3232ECAE是3V工作電源RS232轉換芯片。當要使用ISP功能時，將PC的串口與開發(fā)板的CZ1相連，使用UART0進行通信。同時還要把圖4中的J1短接，使ISP的硬件條件

74、（P0.14為低電平）得到滿足。</p><p>　　MAX3232收發(fā)器采用專有的低壓差發(fā)送器輸出級，利用雙電荷泵在3.0V至5.5V電源供電時能夠實現真正的RS-232性能。器件僅需四個0.1uF的外部小尺寸極性電容。MMAX3232E確保在120kbps數據速率下維持RS-232輸出電平，具有2路接收器和2路驅動器。MAX3232的內部電源由兩路穩(wěn)壓型電荷泵組成，只要輸入電壓(VCC)在3.0V至5.5V范

75、圍以內，即可提供+5.5V 和-5.5V輸出電壓。本設計采用的VCC為3.3V。電路圖如圖8所示。</p><p><b>　　圖8</b></p><p><b>　　4.6其余電路</b></p><p>　　4.6.1外部存儲器電路</p><p>　　IS61LV51216是一個高速SRAM

76、器件，采用CMOS技術，存儲容量為512KB，16位數據寬度，工作電源是3.3V。它具有極高的讀寫速度，在系統中用作變量/數據緩沖，以提高系統的性能。其引腳配置如圖9示。為了方實現存儲器的擴展，在芯片引腳中設置了使能輸入CE和數據輸出使能輸入OE。對于數據字節(jié)的訪問可由高字節(jié)UB和低字節(jié)LB控制，最后存儲器的寫和讀操作可由低電平有效的寫使能WE控制，</p><p><b>　　圖9</b>

77、</p><p>　　LPC2294在外部存儲器接口Bank0上使用IS61LV51216，所以將J4的1、2短接，使CS0與IS61LV51216的CE連接。LPC2294具有片內256KB的高速Flash程序存儲器，將J3的1、2短接，系統復位后將從片內Flash程序存儲器啟動程序。</p><p>　　存儲器連接使用了16位總線方式，數據線使用了D0~D15，地址總線使用了A1~A1

78、8。為了能夠對IS61LV51216的字單元進行單獨的字節(jié)操作，要把LPC2294的BLS1、BLS0控制信號分別連接到UB、LB引腳。</p><p>　　4.6.2 LED顯示電路</p><p>　　為了更好觀察系統運行的情況，本設計使用了多個獨立LED指示燈，采用共陽極驅動方式。其中一個用于電源的上電指示，如圖6所示。其余LED如下圖10。分別用于顯示CAN接收和發(fā)送的指示。<

79、;/p><p><b>　　圖10</b></p><p>　　相應的I/O口輸出為0時LED燈點亮，輸出為1時LED燈熄滅。一般LED的壓降為1.7V，LED點亮時的電流為:</p><p>　　ILED=(3.3v-1.7v)/0.47k=3.4mA</p><p>　　而LPC2294的Iol最小值為4mA，可以使用I

80、/O直接驅動。</p><p>　　4.6.3調試與測試電路</p><p>　　調試與測試系統不是系統運行必需的，但現代電子系統越來越復雜，成本越來越高，對于投入生產前的調試和測試是很必要的。本設計采用ARM公司提出的標準20腳JTAG仿真調試接口，JTAG信號的定義與LPC2294的連接如圖11所示。圖中JTAG接口上的信號nTRST連接到LPC2294芯片的TRST引腳，以達到LPC

81、2294內部JTAG接口電路復位的目的。</p><p><b>　　圖11</b></p><p>　　如上圖所示，在RTCK引腳接一個4.7K的下拉電阻，使系統復位后LPC2294內部的JTAG接口使能，這樣就可以直接進行JTAG仿真調試了。</p><p>　　JTAG(Joint Test Action Group ，聯合測試行動小組

82、) 是一種國際標準測試協議，主要用于芯片內部測試及對系統進行仿真、調試， JTAG 技術是一種嵌入式調試技術，它在芯片內部封裝了專門的測試電路 TAP （ Test Access Port ，測試訪問口），通過專用的 JTAG 測試工具對內部節(jié)點進行測試。標準的 JTAG 接口是 4 線： TMS 、TCK 、TDI 、TDO ，分別為測試模式選擇、測試時鐘、測試數據輸入和測試數據輸出。 </p><p>　　4

83、.7 硬件抗干擾技術</p><p>　　由于信號在傳輸中各種干擾避免不了，因此系統設計要能滿足各種干擾的要求，但首要一點是能抗電干擾。為了達到這一目的，經常采用一些硬件抗干擾措施。通過合理的硬件電路設計，可以削弱或抑制絕大部分電干擾。在硬件設計中，主要采用了濾波技術光電隔離技術、濾波技術、DC/DC變換器以及接地技術等。</p><p><b>　　1．光電隔離技術 </

84、b></p><p>　　光電隔離是最好的抗傳輸干擾的措施，光電隔離是由光電耦合器來完成的。</p><p>　　光電耦合器是以光為媒介傳輸信號的器件，光電耦合部分是在一個密封的管殼內進行的，因而不受外界光的干擾。光電耦合器的輸入端配置發(fā)光源，輸出端配置受光器，因而輸入和輸出在電氣上是完全隔離的。</p><p><b>　　圖12</b>

85、;</p><p>　　6N137結構原理如圖12所示，工作原理如下：首先信號從Vf+和Vf-輸入，產生壓差，電流流過二極管，使它發(fā)光。利用片內專有的光通道傳到光敏二極管，光照后就可以導通，經電流-電壓轉換后送到與門的一個輸入端，與門的另一個輸入為使能端，當使能端有效時與門輸出高電平，再經過輸出三極管反向后輸出低電平。</p><p><b>　　2．濾波技術</b>

86、</p><p>　　濾波是為了抑制噪聲干擾，在數字電路中，當電路從一種狀態(tài)轉換到另一種狀態(tài)時，就會在電源線上產生一個很大的尖峰電流，形成瞬變的噪聲電壓。為了抑制這種干擾，在電路中適當配置去耦電容。在每個電源線與地線之間接電容，接的電容為一個的0.1uF電容或一個10uF的電容。此外，在CANH和CANL與接地之間并聯一個小電容，用于濾除總線上的高頻干擾，同時也起到一定的防電防磁輻射作用。</p>

87、<p>　　3.DC/DC變換器</p><p>　　如圖4.2所示，四路CAN控制器接口均采用帶隔離的DC/DC模塊單獨供電。這樣不僅實現了四路CAN接口之間的電氣隔離，增加了CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，也實現了CAN中繼器與總線之間的隔離。同時切斷了系統電源的干擾，使系統真正與外界隔離，抑制了干擾的串入。本設計采用IB0505LS芯片作為DC/DC轉換器。其引腳圖如13所示，具有以下特點：</

88、p><p>　?。?）高效率，高可靠性</p><p>　　（2）高精度，靠穩(wěn)定性</p><p>　　（3）體積特別小，功率密度大，占線路板空間小</p><p><b>　?。?）輸出短路保護</b></p><p>　?。?）隔離電壓好，耐沖擊性好</p><p>　?。?/p>

89、6）溫升低，自然空冷，無需外加散熱片</p><p><b>　　圖13</b></p><p><b>　　接地技術</b></p><p>　　如圖5所示，DC/DC兩端采用不同的接地方式，并且CAN接口電路的接地與DC/DC輸出段的接地相同，而四路CAN口的接地也采用不同的方式。采取不同的接地同樣可以抑制外界的干擾。

90、</p><p><b>　　結論</b></p><p>　　電子產品需要在越來越嚴峻的環(huán)境中工作，這是一個普遍的趨勢。CAN中繼器的使用環(huán)境也不例外。在數據的傳輸過程中，有溫度的干擾，有噪聲的干擾等等。因此對于中繼器的的性能有很大的要求，對于通訊的可靠性及穩(wěn)定性也很關注。系統的設計通過在兩個節(jié)點的物理層上按位傳遞信息，完成了信號的復制、調整和放大功能等功能，同時延

91、長了網絡的長度。對于傳輸過程中可能產生的干擾也進行了盡可能的排除。</p><p>　　本設計中通過硬件電路設計和軟件設計協調工作完成了系統所要求的功能。硬件部分以ARM7系列LPC2294和CAN收發(fā)器PCA82C250為核心的單片機系統及其外圍電路。其外圍電路包括：電源的設計、復位電路的設計、與計算機相連的UART串口電路、CAN接口電路、外部存儲器電路以及LED顯示電路。系統軟件設計采用C語言編寫，主要包含

92、CAN的初始化、報文發(fā)送和報文的接收等程序。該設計方案具有結構簡單，性能可靠，處理速度快，性價比高等特點。</p><p>　　通過此次畢業(yè)設計我對ARM技術和CAN總線技術有了更深入的理解，體會了設計者的思想，提高了獨立設計能力。但由于是第一次這么完整的設計一個系統，再加上能力有限，本設計中存在的缺陷和不足之處在所難免，對于系統在實際生產中可能會出現的問題并不能完全的考慮清楚。</p><p

93、><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1].羅勇進,基于CAN總線的航天器用電充電控制系統[D]. 上海交通大學,2004.</p><p>　　[2]王曉東,基于嵌入式S3C2410X微處理器的只能家居控制系統研究與實現[D].北京工商大學，2007. </p><p>　　[3]韓兆運，基于CAN總線的車身控制系統應用

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99、997</p><p>　　附錄圖1 硬件設計原理圖</p><p>　　附錄圖2 PCB印制板圖</p><p><b>　　附錄3 材料清單</b></p><p>　　附錄4 流程圖及程序</p><p><b>　　主程序代碼：</b></p><

100、p>　　#include "config.h"</p><p>　　#define CONCan1 </p><p>　　#define CONCan2</p><p>　　#define CONCan3</p><p>　　#define CONCan4</p><p>　　int main

101、 (void)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　INT8U statue;</p><p>　　InitCAN(CAN1);</p><p>　　InitCAN(CAN2);</p><p>　　InitCAN(CAN3);</p><p>　　

102、InitCAN(CAN4);</p><p>　　ConfigAFReg();</p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　if((CANRcvCyBufApp[CAN1].WritePoint!=</p><

103、p>　　CANRcvCyBufApp[CAN1].ReadPoint)|CANRcvCyBufApp[CAN1].FullFlag)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　PointTemp=CANRcvCyBufApp[CAN1].ReadPoint;</p><p>　　statue=CANSendData(CA

104、N2,NOM,&CANRcvCyBufApp[CAN1].RcvBuf[PointTemp]);</p><p>　　if(statue==0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(++CANRcvCyBufApp[CAN1].ReadPoint>=USE_CAN_cycRCV_BUF_SIZE)&l

105、t;/p><p><b>　　{</b></p><p>　　CANRcvCyBufApp[CAN1].ReadPoint=0;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　CANRcvCyBufApp[CAN1].FullFlag=0;</p><p><

106、b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　if((CANRcvCyBufApp[CAN2].WritePoint!=</p><p>　　CANRcvCyBufApp[CAN2].ReadPoint)|CANRcvCyBufApp[CAN2].FullFlag)</p>&l

107、t;p><b>　　{</b></p><p>　　PointTemp=CANRcvCyBufApp[CAN2].ReadPoint;</p><p>　　statue=CANSendData(CAN4,NOM,&CANRcvCyBufApp[CAN2].RcvBuf[PointTemp]);</p><p>　　if(statu

108、e==0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(++CANRcvCyBufApp[CAN2].ReadPoint>=USE_CAN_cycRCV_BUF_SIZE)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　CANRcvCyBufApp[CAN2

109、].ReadPoint=0;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　CANRcvCyBufApp[CAN2].FullFlag=0;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　

110、　if((CANRcvCyBufApp[CAN3].WritePoint!=</p><p>　　CANRcvCyBufApp[CAN1].ReadPoint)|CANRcvCyBufApp[CAN3].FullFlag)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　PointTemp=CANRcvCyBufApp[CAN3].

111、ReadPoint;</p><p>　　statue=CANSendData(CAN4,NOM,&CANRcvCyBufApp[CAN3].RcvBuf[PointTemp]);</p><p>　　if(statue==0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(++CANRcvC

112、yBufApp[CAN3].ReadPoint>=USE_CAN_cycRCV_BUF_SIZE)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　CANRcvCyBufApp[CAN3].ReadPoint=0;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　CAN

113、RcvCyBufApp[CAN3].FullFlag=0;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　if((CANRcvCyBufApp[CAN4].WritePoint!=</p><p>　　CANRcvCyBufApp[CAN4].R

114、eadPoint)|CANRcvCyBufApp[CAN4].FullFlag)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　PointTemp=CANRcvCyBufApp[CAN4].ReadPoint;</p><p>　　statue=CANSendData(CAN1,NOM,&CANRcvCyBufApp[CA

115、N4].RcvBuf[PointTemp]);</p><p>　　if(statue==0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(++CANRcvCyBufApp[CAN4].ReadPoint>=USE_CAN_cycRCV_BUF_SIZE)</p><p><b>