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CAN總線是德國BOSCH公司在上世紀80年代初為解決現代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開發的一種串行數據通信協議。由于CAN 總線的高可靠性和獨特的設計，目前在電力系統、移動設備、醫療和測試儀器中得到廣泛應用，被公認為最有前途的現場總線之一[1]。1993年11月國際標準化組織（ISO）正式頒布了高速通信控制器局部網（CAN）國際標準ISO11898[2]，為CAN總線標準化、規范化推廣鋪平了道路。 1 CAN總線在數字保護系統中應用的可行性分析 CAN總線是一種多主總線，即每個節點機均可成為主機，且節點機之間也可進行通信，總線上各個節點共享通信介質，因此必須解決各節點競爭使用總線而引起的沖突問題。CAN總線采用了一種獨特的基于報文靜態優先級的非破壞性帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問（Nondestructive CSMA/CD）總線仲裁技術[3]。 報文的頭部識別符定義一個靜態的報文優先級。只要總線空閑，任何節點都可以開始發送報文。如果2個或2個以上的節點同時開始傳送報文，此時就會出現總線訪問沖突。通過識別符的按位仲裁可以解決這個沖突。仲裁期間，每一個發送器都對發送位的電平與被偵聽的總線電平進行比較。如果電平相同，則這個節點可以繼續發送；如果不同，退出發送。 CAN總線上電平用“顯性”（邏輯“0”）和“隱性”（邏輯“1”）來表示，當同時出現“顯性”和“隱性”時，其結果是總線電平呈“顯性”。如果節點1發送的是“隱性”電平而節點2發送的是“顯性”電平，兩節點偵聽到的總線電平則是“顯性”，這樣節點1就失去了仲裁，必須退出發送狀態，而節點2贏得仲裁可以繼續不受影響地發送報文。CAN總線這種非破壞性總線仲裁機制確保了報文和時間均不損失。 除了上述非破壞性總線仲裁機制的特點，CAN總線還具有如下顯著的特點[4]： ① CAN總線具有完善的錯誤處理機制，包括偵聽、CRC校驗、位填充技術、幀格式檢查等以及一些相應的準則。CAN總線上，任何檢測到錯誤的節點都會發出一串稱為“錯誤標志”的位流，標記出已損壞的報文。此報文會失效并將自動地開始重新傳送。因此，它的可靠性很高。 ② 數據段長度最多為8個字節,不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。如MCP2510 CAN控制器的串行速率為1M，最長報文發送時延為64µs(8×8/1=64)。但這同時也反映了其不適于傳輸長報文的局限性。 考慮到數字繼電保護系統中的開關量信號，包括斷路器位置狀態信號、保護投入信號、分合閘與報警信號等，都是幾個字節的小數據量信息，但是對實時性和可靠性要求很高，在保護系統中應用CAN總線傳輸開關量信號，可以充分發揮CAN總線的技術優勢。 2 DSP的McBSP與CAN控制器接口的設計 CAN 總線通信模塊由MICROCHIP公司的CAN總線控制器MCP2510[5]和TI公司CAN總線收發器SN65HVD232[6]組成，如圖1所示。 MCP2510是帶SPI接口的CAN控制器，與CAN2.0A/B協議兼容，支持CAN1.2、CAN2.0A、CAN2.0B的被動/主動版本協議，實現CAN總線的邏輯鏈路控制和介質訪問控制，能夠發送、接收標準和擴展報文，位速率可達1Mbps，它還具有驗收過濾和消息管理的功能，包括3個發送緩沖器和2個接收緩沖器，減少了微控制器（MCU）管理的負擔。SN65HVD232是CAN協議控制器和物理總線的驅動接口，為總線提供不同的發送能力和對CAN控制器提供不同的接收能力，與ISO11898標準兼容。 
圖1 CAN通信的硬件電路 本文選用TI公司高性能C54系列的DSP作為控制核心，型號為TMS320VC5410A，工作主頻 160MHz。TMS320VC5410A提供高速、雙向、多通道帶緩沖串行接口McBSP與MCP2510的SPI（工業標準串行外圍接口）接口，兩者連接關系如圖2所示。
圖2 DSP的McBSP與MCP251連接關系 McBSP功能強大，結構復雜，要實現二者的通信，關鍵要對McBSP的各寄存器進行合理配置，包括主從方式選擇，時鐘信號、幀同步信號的產生，數據收發的沿邊選擇，時序配合等，下面分別加以論述。 時鐘與幀同步信號的連接關系表明McBSP工作在主（Master）方式，MCP2510 工作在從（Slave）方式。McBSP的發送時鐘由DSP內部采樣率發生器產生（發送時鐘模式位CLKXM=1），采樣率發生器時鐘由DSP內部時鐘產生(采樣率發生器時鐘模式位CLKSM=1)，McBSP的接收時鐘由發送時鐘驅動(接收時鐘模式位CLKRM=0)，MCP2510的時鐘由McBSP 給出，總之，所有的時鐘源頭是DSP的內部時鐘;同時，發送幀同步信號FSX由McBSP內部寄存器DXR向XSR的數據拷貝動作產生（發送幀同步模式位 FSXM=1,采樣率發生器發送幀同步模式位FSGM=0），接收幀同步信號由發送幀同步信號驅動（接收幀同步模式位FSRM=0）。 根據如圖3所示的內部連接圖中時鐘和同步信號流程分析，McBSP內部時鐘信號(Internal CLKX、Internal CLKR)、幀同步信號（Internal FSX、Internal FSR)與MCP2510的時鐘信號、片選信號同步產生與停止。McBSP內部發送幀同步信號Internal FSX是從低電平跳到高電平，而與之相連的MCP2510片選信號是高電平跳到低電平有效，相位相反，故McBSP內部寄存器的發送幀同步信號極性位 FSXP=1，而McBSP內部幀同步信號Internal FSR與Internal FSX必須一致，故Internal FSR也必須和MCP2510片選信號反相，接收幀同步信號極性位FSRP=1。
McBSP在內部發送時鐘Internal CLKX的上升沿發送數據，而在內部接收時鐘Internal CLKR的下降沿接收數據。反之，MCP2510在外部時鐘CLK的上升沿接收數據，在外部時鐘CLK的下降沿發送數據。根據前面對時鐘與幀同步信號的分析可知：Internal CLKX、Internal CLKR與CLK為同一時鐘，要保證可靠收發數據，必須配置發送時鐘極性位CLKXP=1（Internal CLKX 與 CLKX反相）和接收時鐘極性位CLKRP=1（Internal CLKR 與 CLKR反相）。這樣，一方在上升沿發送，另一方在下降沿接收，通信可靠；否則雙方在同一時鐘的同一邊沿收發數據，不能保證可靠通信。 3 通信軟件流程設計 DSP通過McBSP與MCP2510的SPI接口傳送數據。MCP2510的發送寄存器作為發送緩沖區的映射寄存器，DSP通過訪問發送寄存器將數據傳送到發送緩沖區。MCP2510有6個過濾器，CAN總線上通過接收過濾器過濾的數據首先被放到接收緩沖區中。接收寄存器作為接受緩沖區的映射寄存器，DSP通過訪問接收寄存器來接受緩沖區中的數據。
圖4 CAN發送子程序框圖 DSP與MCP2510之間的通信過程分兩步：① 按照以上分析得出的結論對McBSP的控制寄存器配置，發送過程為：將數據寫入McBSP的發送寄存器DXR，然后通過發送移位寄存器XSR將數據經引腳 BDX移出發送，接收過程為：通過McBSP引腳BDR接收的數據移入接收移位寄存器RSR，并復制這些數據到接收緩沖寄存器RBR，然后再復制到接受寄存器DRR，最后由DSP讀入。② McBSP與MCP2510之間的通信按照McBSP內部配置好的時鐘、幀同步信號交換數據。 為了提高通信效率，DSP發送采取主動發送方式，由DSP的HD口(配置為IO口)和MCP2510的TXRTS端相連，以選擇發送緩沖單元，發送流程如圖4所示；而接收采取中斷方式，一旦MCP2510接收緩沖器滿，則發中斷信號給DSP，通知DSP讀取數據，接收流程如圖5所示。
圖5 CAN接收中斷子程序框圖 4 結語 本文針對CAN總線短字節通信實時性好、可靠性高的特點，分析了CAN 總線在數字保護系統中的應用可行性，給出了DSP的McBSP與CAN控制器接口的硬件配置方案和軟件設計流程。在數字保護系統中實際通信試驗所得到的數據證明CAN通信方案高效可靠,能夠滿足數字繼電保護對實時通信的要求，充分發揮了CAN總線的優點。 本文作者創新點：針對CAN總線的特點論述了數字繼電保護中CAN總線應用的可行性，詳細分析了TMS320VC54X DSP的高速、雙向、多通道帶緩沖串行接口McBSP的內部時鐘和同步信號流程，由此得出McBSP與CAN控制器接口的主從方式選擇，時鐘信號、幀同步信號的產生，數據收發的沿邊選擇，時序配合等寄存器關鍵位的配置。 參考文獻 1. 王瑞朋.黃瓊.唐倫.李偉.陳前斌.隆克平 嵌入式 TCP/IP協議的內存管理技術 [期刊論文] -微計算機信息2006(8) 2. Boxma O Workloads and waiting times in single-server with multiple customer class 1989(1-3) 3. Jagerman D.Melamed B.Willinger W Stochastic modeling of traffic processes Fronntiers in queueing 1997 4. 林闖 計算機網絡和計算機系統的性能評價 2001 5. 華興 排隊論與隨機服務系統 1987 6. 田乃碩 休假隨機服務系統 2001 作者：湖北武漢市海軍工程大學電子工程學院通信工程系 林懷清 來源：微計算機信息 2007-2 |
