Расчет преобразователя микроконтроллера с CAN-шиной

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

«БРЕСТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «ЭВМ и Системы»

«К защите допускаю»

Заведующий кафедрой

________________ С.С. Дереченник

" ____" ___________ 2011 г.

Расчет преобразователя микроконтроллера с CAN-шиной ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К ДИПЛОМНОМУ ПРОЕКТУ БрГТУ.7 817.012 ПЗ Заведующий кафедрой С. С. Дереченник Руководитель И. В. Лешкевич Консультант по экономическому разделуО. П. Белоглазова Выполнил В. И. Медведицин Нормоконтроль Г. М. Монич

Рецензент

2011 г.

Аннотация В дипломном проекте разработан преобразователь программно аппаратный терминал с CAN-шиной. В результате выполнения проекта была разработана схема электрическая структурная и схема электрическая принципиальная программно-аппаратного терминала.

На этапе конструкторско-технологического проектирования была разработана схема топологии печатной программно-аппаратного терминала.

На этапе разработки программного обеспечения была разработана управляющая программа, осуществляющая преобразование информации, поступающей из линий RS232 в линии CAN-bus и наоборот и приложения для управления программно-аппаратным терминалом через ПЭВМ.

Выполнен расчет экономических показателей производства программно-аппаратного терминала.

Введение

Быстрое развитие микроэлектроники и широкое применение ее изделий в различных сферах человеческой деятельности, в том числе и промышленности, а так же высочайшая степень сложности выполняемых ими функций являются одними из основных двигателей научно-технического прогресса.

Важное место среди цифровых интегральных микросхем занимают микроконтроллеры. Микроконтроллеры представляют собой эффективное средство автоматизации разнообразных объектов и процессов. Это универсальные приборы, их применение в электронных устройствах самого различного назначения постоянно расширяется. Использование микроконтроллеров в системах управления обеспечивает достижение высоких показателей эффективности при низкой стоимости. Разработкой и производством МК занимаются многие фирмы, специализирующиеся в области полупроводниковой электроники. Среди них Microchip, Scinex, Atmel, Motorola, Zilog, Cypress, Texas Instruments, Philips и другие.

Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Использование одной микросхемы, вместо целого набора, как в случае обычных процессоров, применяемых в персональных компьютерах, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость устройств, построенных на базе микроконтроллеров. Микроконтроллеры являются основой для построения встраиваемых систем, их можно встретить во многих современных приборах. Микроконтроллеры сегодня используются во всей бытовой технике, промышленных установках и станках, датчиках, регуляторах и иных приложениях, где не требуется большая вычислительная мощность. Например, в каждом современном автомобиле имеется несколько микроконтроллеров, управляющих двигателем, подвеской, кондиционером, акустической системой, приборной панелью. Основной тенденцией развития микроконтроллеров, является по­вышение степени интеграции, уменьшение числа внешних элементов, необходимых для нормальной работы. На кристалле микросхемы размещают не только компараторы, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, но и всевозможные нагрузочные и «подтягивающие» резисторы, цепи сброса.

Выходные буферы МК рассчитывают на непосредственное подключение наиболее типичных нагрузок. Почти любой из выводов МК разработчик может использовать по своему усмотрению в качестве входа или выхода. В результате довольно сложный по выполняемым функциям прибор часто удается выполнить всего на одной микросхеме. Сегодня имеет смысл конструировать на МК даже такие приборы, для реализации которых традиционными методами потребовалось бы не менее десятка логических микросхем средней и малой степени интеграции.

Главное отличие МК от обычной микросхемы: он не способен делать что-либо полезное, пока в его внутреннее (иногда внешнее) запоминающее устройство не занесена программа — набор кодов, задающий последовательность операций, которые предстоит выполнять. Разработка управляющих программ осуществляется на персональных компьютерах, при этом большинство производителей предлагает бесплатные средства программирования и отладки проектов. Процедуру записи кодов в память МК называют его программированием.

Темой данного дипломного проекта является разработка программно-аппаратного терминала с CAN-шиной. Этот терминал будет предназначен для внутрисхемного программирования устройств по CAN-интерфейсу и будет состоять из аппаратной части, связывающей ПЭВМ и программируемое устройство, и программной оболочки. Данный терминал представляет собой своего рода устройство сопряжения между ПЭВМ и программируемым устройством.

Главным преимуществом технологии внутрисхемного программирования является возможность объединения процесса программирования и тестирования при производстве, исключив отдельную фазу программирования компонентов перед окончательной сборкой. Технология также позволяет производителям устройств обойтись без закупки заранее запрограммированных компонентов, выполняя программирование прямо в процессе производства. Это позволяет снизить стоимость производства и вносить изменения в программируемую часть устройства без остановки производства.

Для предприятия выпускаемого электронную продукцию для транспортных средств с экономической точки зрения будет выгодно использовать данное устройство, т.к. именно в сфере автомобилестроения широкое применение нашли CAN-технологии. Этому есть множество причин. Протокол CAN уже более 10 лет активно используется во всем мире. Он показал свою качественность и надежность. Сейчас на рынке представлены тысячи различных CAN-изделий. CAN поддерживается развитой системой инструментальных средств, позволяющих быстро и легко проектировать CAN-сети. Протокол CAN реализован в кремнии, что позволяет быстро проектировать высокоэффективные, высокоскоростные, высоконадежные и в то же время дешевые системы. Помимо высоконадежного алгоритма передачи и обработки ошибок, протокол CAN имеет механизм, позволяющий отключать удаленный узел и тем самым не допускать блокирование сети.

1 Системотехническое проектирование

1.1 Основные функции разрабатываемого устройства На стадии системотехнического проектирования будут разработаны общие принципы, по которым необходимо будет разработать программно-аппаратный терминал с CAN-шиной. При проектировании необходимо определить основные функции, которые будет выполнять устройство, описать используемые интерфейсы.

Контроллер локальной сети (CAN) был разработан немецкой автомобильной фирмой Robert Bosch в 1980 году для автомобильных приложений. Целью разработки нового интерфейса было повышение надежности передачи информации по последовательному интерфейсу от различных узлов автомобиля, с сокращением общего числа проводников. CAN интерфейс нашел широкое применение в системах автоматизации, автомобильной технике, медицинском оборудовании и др. CAN-шина широко используется для связи узлов электроники в транспортных средствах. Следовательно, очевидна необходимость наличия устройства для программирования данных узлов внутрисхемно, без извлечения микросхем. Данную задачу выполняют программаторы с функцией внутрисхемного программирования. Рассмотрим подробнее некоторые из множества программаторов с данной функцией.

Программаторы пятой версии ТРИТОН и ТРИТОН+ - это современные профессиональные программаторы микросхем, предназначенные для разработки, технического обслуживания и промышленного производства средних объёмов. Современная элементная база и автоматическая сборка обеспечивают высокую надежность программаторов, а использование алгоритмов, рекомендованных фирмами-производителями, и уникальные схемотехнические решения гарантируют высочайшее качество записи микросхем. Программное обеспечение, выполненное в классическом стиле, работает со всеми версиями Windows, легко в освоении, обеспечивает удобную работу и имеет огромное количество сервисных возможностей для поддержки всех режимов работы микросхем.

Виртуальный процессор и компилятор скрипт файлов, позволяют пользователю написать свой собственный алгоритм работы с микросхемой и выполнить его без изменения прошивки в программаторе. Система команд виртуального процессора, разработанная с учетом особенностей программирования микросхем, обеспечивает управление всеми выводами панельки программатора, имеет доступ к внутренним регистрам и штатным подпрограммам программатора, позволяет создавать простой и эффективный код, обеспечивающий высокую скорость работы с микросхемой.

Программаторы ТРИТОН и ТРИТОН+ имеют высококачественную универсальную заменяемую панельку с нулевым усилием для программирования более 3000 современных микроконтроллеров и микросхем памяти в корпусах от DIP-8 до DIP-40 без дополнительных адаптеров. Для работы с микросхемами в других корпусах предлагается широкий выбор стандартных, универсальных и специальных переходных панелей и адаптеров, что позволяет поддерживать более 11 000 микросхем. Благодаря технологии универсальных алгоритмов программаторы позволяют значительно уменьшить количество переходных панелек, необходимых для работы с микросхемами в различных корпусах, а также работают с многими переходниками и адаптерами от других программаторов.

Встроенный микропроцессор с Flash-памятью и возможностью самопрограммирования позволяет легко обновлять программное обеспечение и расширять список поддерживаемых микросхем через Интернет. Единое программное обеспечение и универсальные алгоритмы, единая аппаратная база и однотипные процессоры позволяют неограниченное время поддерживать программаторы, даже снятые с производства.

Основные характеристики:

— интерфейс USB 2.0 Full speed, скорость обмена до 250кБ/с. (только на модели V5.7T);

— скорость обмена с компьютером до 460 800 бод, при использовании переходников USB-COM;

— схема программатора оптимизирована для работы с микросхемами памяти больших объемов;

— возможность настройки алгоритмов для сокращения времени записи микросхем;

— возможность программного распределения сигналов по выводам панельки программатора;

— поддержка микросхем в любых корпусах через стандартные переходники pin-to-pin);

— возможность работы с любыми переходниками и адаптерами от других программаторов;

— возможность самостоятельного добавления микросхем с различной цоколевкой и системой команд;

— встроенный графический редактор drag-and-drop для переназначения сигналов.

ChipProg-ISP — универсальный ISP программатор поддерживающий внутрисхемное программирование микросхем в устройстве пользователя (ISP режим In-System Programming). Внутрисхемное программирование (последовательное программирование или ISP программирование) возможно только тех микросхем, которые рассчитаны на данный режим (ISP mode). Как правило, микросхемы допускающие внутрисхемное программирование, имеют встроенные системы, которые, помимо прочего, обеспечивают коммуникацию с внутрисхемным программатором по последовательному интерфейсу (вариации протокола JTAG, SPI, UART).

Характеристики внутрисхемного программатора ChipProg-ISP:

— Количество внутрисхемно программируемых микросхем не ограничено аппаратной архитектурой (последовательное программирование);

— 14-выводной разъем с защитой от неправильного подключения;

— Внутрисхемный программатор подключается к компьютеру через USB 2.0 совместимый порт;

— Возможность работы нескольких программаторов под управлением одного компьютера (мильтипрограмматорный режим работы);

— Внутрисхемный программатор имеет на корпусе кнопку, запускающую выполнение любой выбранной операции.

Программатор PICkit2 построен на базе контроллера PIC18F2550 с поддержкой USB 2.0, поэтому удалось создать дешевый программатор, который получает питание от USB и не требует дополнительного источника питания. Через USB порт так же осуществляется обновление прошивки программатора, т. е. PICkit2 может сам обновить свое программное обеспечение без применения дополнительных средств.

Программатор PICkit 2 работает под управлением своей собственной оболочки или под управлением среды разработки MPLAB IDE. При работе программатора под управлением оболочки «PICkit 2 Programmer» PICkit2 позволяет стирать, программировать и проверять память программ и EEPROM, устанавливать защиту кода, редактировать содержимое Flash и EEPROM.

Программно-аппаратный терминал разрабатывается для программирования устройств по CAN-интерфейсу. Таким образом, разрабатываемое устройство представляет собой программатор с функцией внутрисхемного программирования. Программатор позволяет программировать микросхемы непосредственно в устройствах пользователя. Для этого не только микросхема, но и само устройство должны поддерживать режим внутрисхемного программирования. В устройстве должно быть предусмотрено подключение программатора, в данном случае через CAN-интерфейс. Поскольку для программирования многих микросхем используются напряжения, значительно превышающие напряжение питания, устройство должно выдерживать эти напряжения. Подключаемое устройство не должно оказывать шунтирующего влияния на сигналы программатора. Как правило, все эти требования подробно описаны в фирменных спецификациях по программированию на каждую микросхему.

Микросхемы, имеющие возможность внутрисхемного программирования, обычно имеют специальную схему, генерирующую напряжения, необходимые для программирования, из обычного напряжения питания, а также схему для коммуникации с программатором посредством последовательного интерфейса.

В качестве управляющего элемента в программно-аппаратном терминале будет использоваться контроллер на базе однокристальной ЭВМ.

Программное обеспечение для данного контроллера будет работать по специализированному протоколу передачи данных. Протокол передачи данных предназначен для взаимодействия устройств в локальной системе управления.

1.2 Обзор семейств микроконтроллеров Микроконтроллер — микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Использование одной микросхемы, вместо целого набора, как в случае обычных процессоров, применяемых в персональных компьютерах, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость устройств, построенных на базе микроконтроллеров.

При проектировании микроконтроллеров приходится соблюдать баланс между размерами и стоимостью с одной стороны и гибкостью и производительностью с другой. Поэтому существует огромное количество типов микроконтроллеров, отличающихся архитектурой процессорного модуля, размером и типом встроенной памяти, набором периферийных устройств, типом корпуса и т. д.

В настоящее время выпускается целый ряд типов МК. Все эти приборы можно условно разделить на четыре основных класса:

— 8-разрядные периферийные МК, к которым можно отнести PIC-контроллеры (Microchip), контроллеры семейства UPI-42 (Intel), контроллеры AVR (Atmel) и другие подобные. Отличительными особенностями периферийных МК являются: гарвардская архитектура памяти (с Flash CMOS или без); RISC-архитектура процессора; небольшие объемы адресуемой памяти (ОЗУ, ПЗУ) — до 100 кБ; 8-разрядный процессор и система команд, не нацеленная на решение сложных вычислительных задач; не предусмотрена возможность аппаратного формирования сигналов внешней системной магистрали; малые габаритные размеры и электропотребление. Они используются для построения простых систем логического управления (PIC16C5X, PIC16C6X, 18 042), небольших локальных систем цифрового автоматического управления, не требующих высокой скорости и точности (PIC16C7X, PIC17CXX, PIC1400), иногда они используются для построения «интеллектуальных» датчиков систем сбора и обработки информации;

— 8-разрядные универсальные МК, к которым можно отнести контроллеры семейств MCS-48, MCS-51;151;251 (Intel, Atmel и других производителей), контроллеры семейств НС5-НС11 (Motorola), Z8 (Zilog) и другие подобные. Они используются для построения локальных МК систем программно-логического, цифрового автоматического управления и систем сбора-обработки информации средней и малой производительности. Достаточная производительность, простота системы команд, внутренней архитектуры и большая номенклатура встроенных в микроконтроллеры дополнительных устройств определяют широкое распространение их в настоящее время;

— 16-разрядные универсальные МК, к которым можно отнести контроллеры семейств MCS-96;196;296 (Intel), контроллеры семейства С16Х (Infineon), контроллеры семейств НС12, НС16 (Motorola). Это высокопроизводительные контроллеры, предназначенные для использования в различных системах реального времени: цифрового, логического управления, сбора и обработки информации, системах связи, обработки речи и изображений, где требуется высокая скорость реакции на внешние события. Система команд этих контроллеров оптимизирована по быстродействию (RISC-архитектура) либо ориентирована на быструю обработку сигналов и включает специальные команды реализации нечетких регуляторов, быстрого вычисления сверток сигналов. Широкая номенклатура встроенных устройств позволяет строить на его базе высокоэффективные распределенные микропроцессорные системы;

— 32-разрядные МК, к которым можно отнести контроллеры семейства ARM на основе расширенной RISC-архитектуры — THUMB с экономией памяти ARM7DTMI (Atmel, Intel), контроллеры на основе процессорных ядер CPU32, ColdFire, PowerPC (Motorola) и другие подобные. Используются в специальных системах, требующих достаточно высокой производительности, они реализуют команды сигнальной обработки. Быстродействие от 15 до 60 миллионов инструкций в секунду (тактовая частота до 350 МГц);

— контроллеры (процессоры) цифровой обработки сигналов (DSP — digital signal processor), к которым относятся сигнальные процессоры семейства TMS320C3X (Texas Instruments), SHARC (Analog Device), ЦРВ77ХХ (NEC), K1813BE1 (Россия) и другие. Они характеризуются либо высокой скоростью выполнения операций с плавающей точкой, либо системой команд, ориентированной на выполнение операций быстрого преобразования Фурье, фильтрации сигналов. Используются как вспомогательные процессоры в эффективных системах управления реального времени. Имеют разрядность АЛУ от 16 до 32 бит и производительность до 120 миллионов операций с плавающей точкой в секунду. К данным контроллерам можно отнести и семейство MIPS-контроллеров (Mobile Internet Phone System), предназначенных для мобильных систем интернет-телефонии.

Для реализации задач, поставленных в данной дипломной работе, оптимальным выбором будет использование 8-разрядных универсальных микроконтроллеров. Рассмотрим более подробно технические характеристики МК семейства Mega фирмы Atmel.

Как и все микроконтроллеры AVR фирмы Atmel, микроконтроллеры семейства Меga являются 8-разрядными микроконтроллерами, предназначенными для встраиваемых приложений. Они изготавливаются по малопотребляющей КМОП-технологии, которая в сочетании с усовершенствованной RISC-архитектурой позволяет достичь наилучшего соотношения быстродействие/энергопотребление.

На основе стандартных семейств выпускаются микроконтроллеры, адаптированные под конкретные приложения:

— со встроенными интерфейсами USB, CAN, контроллером LCD;

— со встроенным радиоприёмо-передатчиком — серии ATAхxxx, ATAMxxx;

— для управления электродвигателями — серия AT90PWMxxxx;

— для автомобильной электроники;

— для осветительной техники.

К числу особенностей микроконтроллеров AVR семейства Mega относятся следующие:

— FLASH-память программ объемом от 8 до 128 Кб (число циклов стирании/записи не менее 1000);

— оперативная память (статическое ОЗУ) объемом от 1 до 4 кБ;

— память данных на основе ЭСППЗУ (EEPROM) объемом от 512 Б до 4 кБ (число циклов стирании/записи не менее 100 000);

— возможность защиты от чтения и модификации памяти программ и данных;

— возможность программирования непосредственно в системе через последовательные интерфейсы SPI и JTAG;

— возможность самопрограммирования;

— возможность внутрисхемной отладки в соответствии со стандартом IEEE 1149.1 (JTAG);

— различные способы синхронизации: встроенный RС-генератор с внутренней или внешней времязадающей RC-цепочкой или с внешним резонатором (пьезокерамическим или кварцевым);

— внешний сигнал синхронизации;

— наличие нескольких режимов пониженного энергопотребления; наличие детектора снижения напряжения питания (brown-out detector, BOD);

— возможность программного снижения частоты тактового генератора (не во всех моделях).

Характеристики процессора:

— полностью статическая архитектура;

— АЛУ подключено непосредственно к регистрам общего назначения;

— большинство команд выполняются за один машинный цикл;

— многоуровневая система прерываний; поддержка очереди прерывании;

— до 27 источников прерываний (из них до 8 внешних);

— наличие программного стека во всех моделях семейства;

— наличие аппаратного умножителя.

Характеристики подсистемы ввода/вывода:

— программное конфигурирование и выбор портов ввода/вывода;

— выводы могут быть запрограммированы как входные или как выходные независимо друг от друга;

— возможность подключения ко всем входам внутренних подтягивающих резисторов.

Периферийные устройства:

— 8-разрядные таймеры/счетчики (таймеры Т0 и Т2). В ряде моделей эти таймеры/счетчики могут работать в качестве часов реального времени (в асинхронном режиме);

— 16-разрядные таймеры/счетчики (таймеры T1 и Т3);

— сторожевой таймер WDT;

— генераторы сигнала с ШИМ разрядностью 8 бит (один из режимов работы 8-разрядных таймеров/счетчиков Т0 и Т2);

— одно-, двухи трехканальные генераторы сигнала с ШИМ регулируемой разрядности (один из режимов работы 16-разрядных таймеров TI и ТЗ). Разрешение ШИМ-сигнала для разных моделей составляет от 8 до 10 бит или от 1 до 16 бит;

— аналоговый компаратор;

— многоканальный 10-разрядный АЦП как с несимметричными, так и с дифференциальными входами;

— полнодуплексный универсальный асинхронный приемопередатчик (UART);

— полнодуплексный универсальный синхронный/асинхронный приемопередатчик (USART);

— последовательный синхронный интерфейс SPI;

— последовательный двухпроводной интерфейс TWI.

Ядро микроконтроллеров AVR семейства Mega, выполнено по усовершенствованном RISC-архитектуре (enhanced RISC). Арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее все вычисления, подключено непосредственно к 32-м рабочим регистрам, объединенным в регистровый файл.

В микроконтроллерах AVR реализована гарвардская архитектура, которая характеризуется раздельной памятью программ и данных, каждая из которых имеет собственные шины доступа к ним. Такая организация позволяет одновременно работать как с памятью программ, так и с памятью данных. Разделение шин доступа позволяет использовать для каждого типа памяти шины различной разрядности, причем способы адресации и доступа к каждому типу памяти также различны.

1.3 Интерфейсы терминала Основными физическими интерфейсами в программно-аппаратном терминале будут: RS232, CAN-bus.

Ассоциация электронной промышленности (EIA) развивает стандарты по передаче данных. Стандарты EIA имеют префикс «RS». «RS» означает рекомендуемый стандарт, но сейчас стандарты просто обозначаются как «EIA» стандарты. RS232 был введен в 1962. Он развивался, и в 1969 была представлена третья редакция (RS232C). Четвертая редакция была в 1987 (RS232D, известная также под EIA232D).

RS232 — интерфейс передачи информации между двумя устройствами на расстоянии до 20 м. Он был разработан для простого применения, однозначно определяемого по его названию: «интерфейс между терминальным оборудованием и связным оборудованием с обменом по последовательному двоичному коду», т. е. интерфейс между терминалом (DTE) и модемом (DCE) по передаче последовательных данных согласно рисунку 1.1.

Рисунок 1.1 — Схема интерфейса RS232

Для соединения многих устройств достаточно минимального набора цепей интерфейса RS-232: RD, TD и Signal Ground. Схема соединения изображена на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 — Схема соединения с минимальным набором цепей В RS232 используются два уровня сигналов: логические 1 и 0. Логическую 1 иногда обозначают MARK, логический 0 — SPACE. Логической 1 соответствуют отрицательные уровни напряжения, а логическому 0 — положительные. Соответствующие значения напряжений представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 — Уровни сигналов данных

На рисунке 1.3 показана эквивалентная электрическая схема при обмене последовательными данными по стандарту RS-232C. Эта эквивалентная схема независима от того, где расположен генератор в DTE или DCE.

Характеристики сигнала обмена данными по стандарту RS-232C включены в международный стандарт ITU-T v.28.

Рисунок 1.3 — Эквивалентная электрическая схема RS-232

Идея создания Controller Area Network (CAN) появилась в конце 80-х у Роберта Боша. Идея заключалась в том, чтобы создать сетевое решение для распределённых систем, работающих в реальном времени. Соединение может быть более устойчивым к помехам при использовании витой пары. Первоначально создавалась для автомобильного назначения, но в настоящее время используется в разнообразных системах управления, в т. ч. индустриальных, работающих в насыщенной помехами окружающей среде.

CAN протокол связи стандартизирован согласно ISO 11 898−1 (2003). Этот стандарт главным образом описывает слой обмена данными состоящий из подраздела логического контроля (LLC) и подраздела контроля доступа (MAC), и некоторых аспектов физического слоя ISO/OSI модели. Остальные слои протокола оставлены на усмотрение разработчика сети.

CAN — система на серийной шине приспособленная для организации сети интеллектуальных устройств, так же как датчиков и исполнительных устройств в системе или подсистеме.

Интерфейс CAN-bus обеспечивает высокий уровень защиты данных от повреждения даже при работе в сложных условиях (сильные помехи), при этом достигается достаточно большая скорость передачи данных (до 1 Mбит/с).

Высокая степень и надежности сети благодаря развитым механизмам обнаружения и исправления ошибок, самоизоляции неисправных узлов, нечувствительность к высокому уровню электромагнитных помех обеспечивает сети широчайшую сферу применения.

Шина CAN-bus представляет собой двухпроводной интерфейс, имеющий линейную сетевую структуру, к которому подключаются устройства. На концах линии установлены резисторы (терминаторы) сопротивлением 120 Ом в соответствии с рисунком 1.4. Сигнал передается по двум линиям can_high (CANH) и can_low (CANL). Логический 0 регистрируется когда на can_high сигнал выше чем на can_low. Логическая единица в обратном случае.

Рисунок 1.4 — Схема подключения к интерфейсу CAN-bus

Подключение устройств имеет структуру, показанную на рисунке 1.5. В его состав обязательно входит CAN контроллер, отвечающий за организацию интерфейса и CAN трансивер, отвечающий за прием и передачу данных. Обмен данными между трансивером и контроллером идет по последовательному интерфейсу (сигналы Tx, Rx).

Рисунок 1.5 — Внутренняя структура устройства Дифференциальный режим передачи позволяет эффективно бороться с сильными электромагнитными помехами. Это достигается за счет того, что электромагнитный импульс воздействует на обе линии данных (CANH и CANL). Уровень сигнала в них меняется, но разница остается постоянной.

Быстродействие CAN сети достигается благодаря механизму недеструктивного арбитража шины посредством сравнения бит конкурирующих сообщений. Т. е. если случится так, что одновременно начнут передачу несколько контроллеров, то каждый из них сравнивает бит, который собирается передать на шину с битом, который пытается передать на шину конкурирующий контроллер. Если значения этих битов равны оба контроллера пытаются передать следующий бит. И так происходит до тех пор пока значения передаваемых битов не окажутся различными. Теперь контроллер, который передавал логический ноль (более приоритетный сигнал) будет продолжать передачу, а другой контроллер прервёт свою передачу до того времени пока шина вновь не освободится. Конечно, если шина в данный момент занята, то контроллер не начнет передачу до момента её освобождения.

Эта спецификация CAN исходит из предположения, что все CAN контроллеры принимают сигналы с шины одновременно. Т. е. в одно и то же время один и тот же бит принимается всеми контроллерами в сети. С одной стороны такое положение вещей делает возможным побитовый арбитраж, а с другой стороны ограничивает длину CAN-bus. Сигнал распространяется по CAN-bus с огромной, но конечной, скоростью и для правильной работы CAN нужно, чтобы все контроллеры «услышали» его почти одновременно. Почти, потому что каждый контроллер принимает бит в течение определённого промежутка времени, отсчитываемого системным часам. Таким образом, чем выше скорость передачи данных, тем меньшая длина CAN-bus возможна.

Стандартом регламентировано несколько значений для скорости передачи данных. Максимальная скорость сети CAN в соответствие с протоколом равна 1 Mбит/с. При скорости в 1 Mбит/c максимальная длина кабеля равна примерно 40 м. Ограничение на длину кабеля связано с конечной скоростью распространения сигнала и механизмом побитового арбитража (во время арбитража все узлы сети должны получать текущий бит передачи одновременно, т. е. сигнал должен успеть распространится по всему кабелю за единичный отсчет времени в сети).

Скорость шины, в свою очередь, определяет максимальное значение длины шины в соответствии с таблицей 1.2.

Таблица 1.2 — Соотношение скорости передачи и длины шины

Данные значения скорости и длины шины достижимы с использованием стандартных кабелей и трансиверов и использование оптоволокна не обязательно.

В CAN не существует явной адресации сообщений и узлов, сообщения не имеют явной адресации приемника. Источник выставляет на шину свой идентификатор и данные, а приемник самостоятельно, исходя из решаемых задач, обрабатывает принятые данные от данного источника, либо игнорирует их.

Протокол CAN нигде не указывает, что поле арбитража должно использоваться как идентификатор сообщения или узла. Таким образом, идентификаторы сообщений и адреса узлов могут находиться в любом поле сообщения (в поле арбитража или в поле данных, или присутствовать и там, и там).

С другой стороны, стандарт протокола предусматривает возможность удаленного запроса данных (RTR). В отличие от предыдущего описания, приемник не ожидает появления необходимых данных, а запрашивает данные у необходимого узла.

Точно также протокол не запрещает использовать поле арбитража для передачи данных.

Стандарт CAN не регламентирует, каким образом конкретные приложения будут передавать специфичные для себя данные по сети CAN. Таким образом возникает потребность в использовании какого-нибудь протокола верхнего уровня. Можно придумать свой протокол, который позволял бы приложениям работать с CAN сетью просто и удобно, но едва ли стоит тратить на это силы, если уже существует множество высокоуровневых протоколов на основе CAN технологии. Причём это открытые протоколы, т. е. можно получить уже готовые спецификации и даже участвовать в дальнейшем развитии данных систем.

CAN протокол определяет безопасную передачу небольших пакетов данных из пункта, А в пункт Б используя общую линию коммуникации. Протокол не содержит средств контроля потока, адресацию, не предоставляет передачу сообщений более чем 8 бит, не осуществляет установку соединения и т. д. Перечисленные свойства определяются HLP (Протоколами Высшего Порядка). Условия HLP получены и состоят из семи порядков:

— OSI модели (Open Systems Interconnect Model);

— CanKingdom;

— CANopen/CAL;

— DeviceNet;

— J1939;

— OSEK;

— SDS.

HLP обычно определяет:

— параметры запуска;

— распределение идентификатора сообщения среди различных устройств в системе;

— интерпретация содержимого блоков данных;

— статус взаимодействия в системе.

2 Структурное проектирование На основе схемы электрической структурной при дальнейшем проектировании будет построена схема электрическая принципиальная, как детальная реализация схемы электрической структурной.

Структурная схема разрабатываемого устройства может быть представлена как совокупность функциональных блоков, соединённых между собой. Программно-аппаратный терминал с CAN-шиной предназначен для передачи информации, от компьютера по интерфейсу RS232, в память подключенного устройства по интерфейсу CAN-bus, и обратно.

Согласно техническому заданию, программно-аппаратный терминал выполнен в виде самостоятельного устройства, снабжённого микроконтроллером, осуществляющим связь между интерфейсами.

На рисунке 2.1 показана структурная схема разрабатываемого устройства.

В структуре преобразователя можно выделить следующие блоки:

— микроконтроллер;

— контроллер CAN-bus;

— приемопередатчик CAN-bus;

— подключенные устройства CAN-bus;

— приемопередатчики RS232;

— ПЭВМ;

— блок питания +5V.

Рисунок 2.1 — Структурная схема разрабатываемого устройства Рассмотрим каждый из структурных блоков, входящих в состав системы, отдельно. ПЭВМ, к которой подключается разрабатываемый терминал, будет осуществлять передачу информации в подключенные устройства. К подключенным устройствам терминал подключается через интерфейс CAN-bus.

Контроллер CAN-bus необходим для связи приемопередатчика CAN-bus с микроконтроллером и наоборот. Сам контроллер CAN-bus соединен с микроконтроллером посредством шины SPI. Интерфейс SPI — синхронный последовательный интерфейс — предназначен для организации обмена между двумя устройствами, причем одно из них является инициатором обмена (master), второе — пассивное (slave).

Основные характеристики SPI интерфейса:

— полнодуплексный 3-проводный синхронный обмен данными;

— режим работы ведущий или ведомый;

— обмен данными с передаваемыми первыми старшим или младшим битами;

— четыре программируемые скорости обмена данными;

— флаг прерывания по окончании передачи.

Структурная схема SPI интерфейса показана на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 — Структурная схема SPI интерфейса Вывод PB1(SCK) является выходом тактового сигнала ведущего микроконтроллера и входом тактового сигнала ведомого. По записи ведущим CPU данных в SPI регистр начинает работать тактовый генератор SPI и записанные данные сдвигаются через вывод выхода PB2(MOSI) ведущего микроконтроллера на вывод входа PB2 (MOSI) ведомого микроконтроллера. После сдвига одного байта тактовый генератор SPI останавливается, устанавливая флаг окончания передачи (SPIF). Если в регистре SPCR будет установлен бит разрешения прерывания SPI (SPIE), то произойдет запрос прерывания. Вход выбора ведомого PB0(SS), для выбора индивидуального SPI устройства в качестве ведомого, устанавливается на низкий уровень. При установке высокого уровня на выводе PB0(SS) порт SPI деактивируется и вывод PB2(MOSI) может быть использован в качестве вывода входа. Режим ведущий/ведомый может быть установлен и программным способом установкой или очисткой бита MSTR в регистре управления SPI.

Два сдвиговых регистра ведущего и ведомого микроконтроллеров можно рассматривать как один разнесенный 16-разрядный циклический сдвиговый регистр. При сдвиге данных из ведущего микроконтроллера в ведомый одновременно происходит сдвиг данных из ведомого микроконтроллера в ведущий, т. е. в течение одного цикла сдвига происходит обмен данными между ведущим и ведомым микроконтроллерами.

Приемопередатчик CAN-bus необходим для преобразования последовательного потока данных от микроконтроллера в дифференциальный сигнал и наоборот. Структурная схема приемопередатчика CAN показана на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 — Структурная схема приемопередатчика CAN-bus

Приемопередатчик RS232 необходим для преобразования уровней сигнала последовательного потока данных микроконтроллера в сигнал интерфейса RS232 и наоборот.

Микроконтроллер является центральным звеном в устройстве. На него возложены задачи по реализации моста между интерфейсом CAN-bus и RS232. Микроконтроллер будет выполнять функции приема и передачи данных между двумя физическими интерфейсами, преобразуя форматы кадров и поддерживая протоколы передачи данных.

Для того чтобы минимизировать количество дополнительных элементов, нужно выбрать микроконтроллер, интегрирующий в себе как можно полнее запрашиваемые функции. Изучив номенклатуру предлагаемых микроконтроллеров, остановим свой выбор на микроконтроллере семейства AVR фирмы ATMEL.

AVR-архитектура объединяет мощный гарвардский RISC-процессор с раздельным доступом к памяти программ и данных, 32 регистра общего назначения, каждый из которых может работать как регистр-аккумулятор, и развитую систему команд фиксированной 16-бит длины. Регистровый файл также доступен как часть памяти данных. 6 из 32-х регистров могут использоваться как три 16-разрядных регистра-указателя для косвенной адресации. Большинство команд выполняются за один машинный такт с одновременным исполнением текущей и выборкой следующей команды, что обеспечивает производительность до 1 миллиона инструкций в секунду на каждый 1 МГц тактовой частоты. Встроенные аналоговый компаратор, сторожевой таймер, порты SPI и UART, таймеры/счетчики. Диапазон напряжений питания от 1,8 В до 6,0 В.

Блок питания будет обеспечивать напряжение питания +5 В. Именно такое напряжение необходимо для питания большинства микросхем, используемых в данном устройстве.

Структурная схема разрабатываемого устройства изображена на чертеже БрГТУ.7 817.012 Э1.

3 Схемотехническое проектирование На стадии схемотехнического проектирования необходимо построить схему электрическую принципиальную блоков, изображенных на структурной схеме устройства, произвести выбор элементной базы.

В качестве активного управляющего элемента в программно-аппаратном терминале будет выступать микроконтроллер семейства AVR ATmega128. Данный микроконтроллер маломощный 8-разрядный КМОП микроконтроллер, основанный на расширенной AVR RISC-архитектуре. За счет выполнения большинства инструкций за один машинный цикл ATmega128 достигает производительности 1 млн. операций в секунду/МГц, что позволяет проектировщикам систем оптимизировать соотношение энергопотребления и быстродействия.

ATmega128 содержит следующие элементы: 128 кБ внутрисистемно программируемой флэш-памяти с поддержкой чтения во время записи, 4 кБ ЭСППЗУ, 4 кБ статического ОЗУ, 53 линии универсального ввода-вывода, 32 универсальных рабочих регистра, счетчик реального времени (RTC), четыре гибких таймера-счетчика с режимами сравнения и ШИМ, 2 УСАПП, двухпроводной последовательный интерфейс ориентированный на передачу байт, 8-канальный 10-разрядный АЦП с опциональным дифференциальным входом с программируемым коэффициентом усиления, программируемый сторожевой таймер с внутренним генератором, последовательный порт SPI, испытательный интерфейс JTAG совместимый со стандартом IEEE 1149.1, который также используется для доступа к встроенной системе отладке и для программирования, а также шесть программно выбираемых режимов уменьшения мощности. Режим холостого хода (Idle) останавливает ЦПУ, но при этом поддерживая работу статического ОЗУ, таймеров-счетчиков, SPI-порта и системы прерываний. Режим выключения (Powerdown) позволяет сохранить содержимое регистров, при остановленном генераторе и выключении встроенных функций до следующего прерывания или аппаратного сброса. В экономичном режиме (Power-save) асинхронный таймер продолжает работу, позволяя пользователю сохранить функцию счета времени в то время, когда остальная часть контроллера находится в состоянии сна. Режим снижения шумов АЦП (ADC Noise Reduction) останавливает ЦПУ и все модули ввода-вывода, кроме асинхронного таймера и АЦП для минимизации импульсных шумов в процессе преобразования АЦП. В дежурном режиме (Standby) кварцевый/резонаторный генератор продолжают работу, а остальная часть микроконтроллера находится в режиме сна. Данный режим характеризуется малой потребляемой мощностью, но при этом позволяет достичь самого быстрого возврата в рабочий режим. В расширенном дежурном режиме (Extended Standby) основной генератор и асинхронный таймер продолжают работать.

УГО микроконтроллера изображено на рисунке 3.1, а его цоколевка на рисунке 3.2. Назначение выводов микроконтроллера ATmega128 представлено в таблице 3.1.

Рисунок 3.1 — УГО микроконтроллера ATmega128

Микроконтроллер производится по технологии высокоплотной энергонезависимой памяти компании Atmel. Встроенная внутрисистемно программируемая флэш-память позволяет перепрограммировать память программ непосредственно внутри системы через последовательный интерфейс SPI с помощью простого программатора или с помощью автономной программы в загрузочном секторе. Загрузочная программа может использовать любой интерфейс для загрузки прикладной программы во флэш-память. Программа в загрузочном секторе продолжает работу в процессе обновления прикладной секции флэш-памяти, тем самым поддерживая двухоперационность: чтение во время записи. За счет сочетания 8-разрядного RISC ЦПУ с внутрисистемно самопрограммируемой флэш-памятью в одной микросхеме ATmega128 является мощным микроконтроллером, позволяющим достичь высокой степени гибкости и эффективной стоимости при проектировании большинства приложений встроенного управления.

Рисунок 3.2 — Цоколевка микроконтроллера ATmega128

Таблица 3.1 — Назначение выводов микроконтроллера ATmega128

Выходные буферы портов имеют симметричную выходную характеристику с одинаковыми втекающим и вытекающим токами. При вводе, линии портов будут действовать как источник тока, если внешне действует низкий уровень и включены подтягивающие резисторы. Выводы портов находятся в третьем (высокоимпедансном) состоянии при выполнении условия сброса, даже если синхронизация не запущена.

Конденсаторы С6, С9… С12, С15, С17 служат для уменьшения паразитных связей по питанию устройства, и их номинал 100нФ.

Связь микроконтроллера с контроллером CAN-bus будет осуществляться с помощью интерфейса SPI, т. е. через выводы PB0… PB3. Выводы PD0… PD3, PE7 управляют работой контроллера CAN-bus.

Связь микроконтроллера с приемопередатчиками RS232 будет осуществляться с помощью USART, встроенного в микроконтроллер ATmega128. Через выводы PE0, PE1 будет осуществляться прием и передача данных.

Задание тактовой частоты работы микроконтроллера осуществлено с помощью кварцевого резонатора ZQ2 с тактовой частотой 14,7456МГц. Резонатор следует располагать в непосредственной близости от соответствующих выводов микросхемы микроЭВМ с обеспечением минимального сопротивления соединяющих проводников. Конденсаторы С1, С3… С5 согласно типовой схеме подключения равны 15пФ.

Схема подключения микроконтроллера, составленная на основе типовой схемы подключения микроконтроллера, изображена на рисунке 3.3.

Для реализации контроллера CAN-bus выберем микросхему MCP2515.

УГО микросхемы изображено на рисунке 3.4, а ее цоколевка на рисунке 3.5. Назначение выводов микросхемы MCP2515 представлено в таблице 3.2.

Рисунок 3.3 — Схема подключения микроконтроллера ATmega128

Рисунок 3.4 — УГО микросхемы MCP2515

Рисунок 3.5 — Цоколевка микросхемы MCP2515

Таблица 3.2 — Назначение выводов микросхемы MCP2515

Контроллер CAN-bus осуществляет взаимосвязь с микроконтроллером посредством интерфейса SPI, с помощью выводов CS, SO, SI, SCK. Взаимосвязь с приемопередатчиком CAN-bus осуществляется с помощью выводов RXCAN, TXCAN.

Задание тактовой частоты работы контроллера CAN-bus осуществлено с помощью кварцевого резонатора ZQ1 с тактовой частотой 16МГц. Конденсаторы С1, С3 согласно типовой схеме подключения равны 15пФ.

Схема подключения контроллера CAN-bus изображена на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6 — Схема подключения микросхемы MCP2515

Для реализации приемопередатчика CAN-bus выберем микросхему MCP2551. Это высокоскоростное устройство поддерживает скорость приема/передачи до 1Мбит/с. MCP2551 обеспечивает защиту от короткого замыкания до ±40 В и защиту от кратковременных напряжений до ±250 В. MCP2551 обеспечивает защиту от короткого замыкания до ±40 В и защиту от кратковременных напряжений до ±250 В.

УГО микросхемы изображено на рисунке 3.7, а ее цоколевка на рисунке 3.8. Назначение выводов микросхемы MCP2551 представлено в таблице 3.3.

Рисунок 3.7 — УГО микросхемы MCP2551

Рисунок 3.8 — Цоколевка микросхемы MCP2551

Таблица 3.3 — Назначение выводов микросхемы MCP2551

Выводы

TxD, RxD предназначены для обмена данными с контроллером CAN bus и поэтому в разрабатываемом преобразователе будут подключены непосредственно к контроллеру CAN-bus. Выводы CANH, CANL — это физический интерфейс CAN-bus. Эти выводы будут подключены к разъему, который будет подключаться к необходимым устройствам. Для минимизации отражения сигнала в шине используется оконечная нагрузка шины (bus termination). ISO-11 898 требует, чтобы шина CAN имела номинальную характеристику входного полного сопротивления линии передачи в 120 Ом. Поэтому обычное значение согласующего резистора для каждого конца шины составляет 120 Ом.