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现场总线CAN原理与应用技术

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书名：现场总线CAN原理与应用技术
饶运涛邹继军郑勇芸编著
北京航空航天大学出版社出版发行
ISBN 7-81077-310-0
开本：787×1092 1/16
字数： 557千字
定价：34.00元
2003年6月第1版
2003年6月第1次印刷
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内容简介

CAN是一种具有国际标准而且性能价格比又较高的现场总线，它在当今自动控制领域的发展中能发挥重要的作用。本书内容包括：计算机网络技术与现场总线的基本原理、概念和它们之间的密切关系；CAN的2.0规范和几种功能典型且流行的CAN控制器和驱动器的详细资料；在作者实验和开发应用CAN技术的成果基础上，详细介绍了CAN的应用开发技术，从硬件的设计到各个基本软件功能模块的编写，其中包括CAN控制器与单片机、PC机的不同方式的接口技术等。这些资料可供读者直接参考使用（含源程序代码从汇编语言到Windows下的VxD和DLL），以便尽快进入实践阶段。书中还介绍了作者已完成并投入使用的一个CAN系统设计的实例。
本书力求理论密切联系实际，重点突出，学以致用，主要对象是现场总线CAN的初学者。它也可以作为大专院校电子技术和自控专业类师生的参考书以及相关专业技术人员的培训资料。

前言

      几年前，当我们从资料中初次了解到现场总线（Field Bus）CAN（Controller Area Network）时，就立即被描述的功能特性所吸引。因为，对从事单片机技术应用开发的人来说，对RS485总线型“一主多从”式的多机串行通信模式太熟悉了。人们曾在不少控制系统的设计中应用过它；对它的不足既深有体会，又束手无策。CAN是多主对等系统，支持竞争。它是计算机网络技术在现代控制技术领域的应用和发展。
      几年来，从对CAN的泛泛了解到做一些简单的实验，以至想把它投入到现实应用项目中去。时逢学院启动“校园一卡通”首期工程——建立新的校园消费管理系统，凭借多年积累的优势和对校园实际需求的切身了解，我们通过竞争承接了该项工程，并且要把CAN和非接触IC卡等新技术应用到其中。
     在设计方案时，自然要考虑覆盖面积很大且分散的系统中CAN通信网络的建立、各节点随机接入总线访问的竞争、不同区域节点的速度与总线的长度的关系、系统的稳定性和纠错能力以及系统应提供给用户的功能和操作界面等等。经过两个多月的努力，工程按期完成，一次调试成功，技术指标完全达到设计要求。实验室的成果转变成了产品，孕育了多年的愿望终于变成了现实。如今这个系统已安全运行了一年多，而且在扩大范围。目前，有关CAN应用的新课题研究正在进行。我们想用亲身的经历告诉初学者：现场总线不神秘，CAN的应用技术不难掌握。俗话说“百闻不如一见”，应当再加上“百见不如一试”。
      当我们在CAN的应用开发领域取得一点成绩时，就得到了来自北京航空航天大学出版社的鼓励和重视。马广云博士立即与我们联系，计划出版一本介绍CAN技术的书，这对我们来说又是一次机遇和挑战：我们只不过是在某方面多走了一小步。为了让初次接触CAN的读者对它既有较全面的了解，又能较快地动手实践，减少开发中的盲目性，我们在认真总结经验的同时还尽可能去搜集、消化和归纳各类资料，其实这也是一个重新学习的过程。
     现在业界人士普遍看好现场总线的发展潜力，认为它将给自动控制领域的变革带来深远的影响。在我国，开发应用现场总线技术的热潮正在兴起，但是相关的实际资料比较缺乏，市面上能购买到的有关CAN的器件种类也很有限，而初入门者又希望有较详细的实践指导内容的出版物供参考。虽然本书能提供的经实践积累和收集到的资料不是很多，但它们还是可以有效地帮助想涉入这个领域的读者。何况CAN总线有统一的规范和国际标准，不管是哪个厂家生产的器件都遵循这些标准。只要掌握了某类器件的使用方法，就能触类旁通。目前，生产CAN器件的厂家不少，若要一一介绍，篇幅就非常大。在这里我们选择目前比较典型的、市场上容易购买到的、参考资料相对多且容易与51系列或摩托罗拉等单片机接口的器件予以介绍。还有一部分是我们认为功能方面有独到之处、在某些应用中能发挥重要作用的器件。这些都是在厂商提供的原始资料基础上，经加工、整理而成，让读者容易接受。我们认为，单从掌握CAN的原理和应用技术方面来说，主要基础还是对微型计算机接口技术和计算机网络知识的了解。
     全书共分9章和5个附录。第1章简明扼要地介绍计算机网络和现场总线的一般原理和概念，着重叙述了CAN的发展。第2章介绍了CAN 2.0规范的主要内容。第3章详细地介绍目前在我国市面上最有代表性的CAN控制器芯片——独立的单个CAN控制器SJA1000。第4章主要介绍带CAN控制器的51系列单片机P8xC591中的CAN部分。第5章是有关CAN总线的驱动器和它的应用。第6章的重点是智能CAN节点的设计，即CAN控制器与单片机的接口技术。第7章分别介绍CAN控制器与PC机的不同形式的接口技术。第8章首先较详细地介绍一个实际应用系统CAN网的组建和CAN技术的应用举例，然后介绍一个供初学者实践参考的CAN实验装置。第9章介绍一种有较多独特功能的独立双CAN控制器。考虑到它比较复杂，同时篇幅又大，刚接触CAN的读者一时不必把注意力放在这方面，所以把它排在最后部分。
     第1、2、3、4章和第9章的大部分是由饶运涛编写；第5、6、7章和第8章的大部分由邹继军编写；郑勇芸参加了第8章应用实例和第9章的部分编写，而且是CAN的应用开发项目的主要成员。附录内容是由周立功单片机公司提供的资料。全书由饶运涛负责策划、修改和定稿。高斌和张静参加了文稿的录入工作。在本书的策划和编写过程中，得到了何立民教授、周航慈教授的热情关心和指导，并且参考了业界许多公开发表的资料，在此一并表示衷心的感谢。周立功单片机公司在开发和推广CAN总线技术方面做了大量工作。该公司是我国首家加入CiA（CAN in Automation）的企业，与德国的多家开发CAN技术的公司建立了联系，引进了部分先进技术。在国内，周立功单片机公司推销PHILIPS半导体公司的CAN器件，同时开发出了带CAN控制器的单片机P87C591的仿真器和有关CAN控制器的实验板，该公司的网站上也有专门的CAN网页介绍相关的资料。
    现场总线技术正在给我们展现一个宽阔的新舞台，并且大有作为。学习CAN也可作为学习现场总线甚至是计算机网络技术的入门，因为它使你能深入了解到从低层到高层的功能实现过程，从中更好地体会网络的层次结构。书中介绍了我们实践中的思路和实例，包括基本源程序，目的是想帮助初学者尽快地进入学习CAN的实践阶段，也希望能起到抛砖引玉的作用。我们期待着更多同行的参与，共同推动这项事业在中国的发展。尽管我们如履薄冰，力求完善，但由于学识和能力上的限制，加上较繁重的教学任务，使本书脱稿日期一推再推，且它的内容还有较大的局限，也可能存在某些错误。诚恳希望读者和同行对本书的疏漏及其他问题不吝赐教，以期今后有机会改正。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　编著者
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　于东华理工学院
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2002年11月

目录

第1章计算机网络与现场总线
1.1 计算机网络体系的结构(1)
1.1.1 物理层(2)
1.1.2 数据链路层(5)
1.1.3 介质访问控制子层MAC和逻辑链路控制子层LLC(6)
1.1.4 网络层(8)
1.1.5 传输层(9)
1.1.6 会话层(10)
1.1.7 表示层(11)
1.1.8 应用层(11)
1.2 现场总线(11)
1.2.1 什么是现场总线(11)
1.2.2 工业控制系统的发展(11)
1.2.3 现场总线技术(12)
1.2.4 现场总线的发展(13)
1.3 CAN总线(14)
1.3.1 CAN的发展历程(14)
1.3.2 CAN总线的特点(18)
1.3.3 CAN总线的位数值表示与通信距离(19)

第2章 CAN技术规范的介绍
2.1 简介(20)
2.2 基本概念(21)
2.3 报文传输(25)
2.3.1 帧格式(25)
2.3.2 帧类型(25)
2.3.3 关于帧格式的一致性(32)
2.3.4 发送器和接收器的定义(32)
2.4 报文滤波(33)
2.5 报文校验(33)
2.6 编码(33)
2.7 错误处理(33)
2.7.1 错误检测(33)
2.7.2 错误信号的发出(34)
2.8 故障界定(34)
2.9 振荡器容差(36)
2.10 位定时要求(36)

第3章 CAN控制器SJA1000
3.1 CAN控制器的作用(39)
3.2 芯片SJA1000的概述(39)
3.3 SJA1000的内部结构及SJA1000引脚定义(40)
3.3.1 SJA1000的内部结构(40)
3.3.2 芯片引脚排列与名称(41)
3.3.3 引脚定义(41)
3.4 CAN控制器SJA1000在系统中的位置(42)
3.5 CAN的几个控制模块(43)
3.5.1 接口管理逻辑(43)
3.5.2 发送缓冲器(43)
3.5.3 接收缓冲器(43)
3.5.4 验收滤波器(43)
3.5.5 位流处理器(44)
3.5.6 位时序逻辑(44)
3.5.7 错误管理逻辑(44)
3.6 SJA1000的详细介绍(44)
3.6.1 与PCA82C200兼容性(44)
3.6.2 BasicCAN和PeliCAN模式的区别(45)
3.6.3 BasicCAN 的寄存器及其功能描述(46)
3.6.4 PeliCAN 的寄存器及其功能描述(56)
3.6.5 公共寄存器(77)
3.7 主要参数限额(82)
3.8 SJA1000与单片机的典型接口电路及其在PeliCAN模式中的地址分配示意图
(83)

第4章带CAN控制器的单片机——P8xC591
4.1 P8xC591在80C51基础上增加的特点和功能(86)
4.2 概述(87)
4.3 引脚描述(87)
4.4 存储器结构(91)
4.4.1 扩展的数据RAM 寻址(92)
4.4.2 双DPTR(94)
4.4.3 AUXR1页寄存器(94)
4.5 I/O功能(95)
4.6 复位(95)
4.7 CAN控制器局域网络(95)
4.7.1 P8xC591 PeliCAN特性（比SJA1000增加的部分）(95)
4.7.2 PeliCAN结构(96)
4.7.3 PeliCAN控制器与CPU之间的通信(97)
4.7.4 PeliCAN内部寄存器和报文缓冲区描述(100)
4.8 CAN报文的发送(122)
4.8.1 查询控制的发送(122)
4.8.2 中断控制的发送(123)
4.8.3 中止发送(123)
4.9 CAN报文的接收(125)
4.9.1 查询控制的接收(126)
4.9.2 中断控制的接收(126)
4.9.3 数据溢出处理(128)
4.9.4 接收中断级或高优先级(129)
4.10 自动位速率检测(130)
4.11 CAN 控制器自检测(134)
4.11.1 全局自检测(134)
4.11.2 局部自检测(135)
4.12 P8xC591的节电功能（对原51系列节电功能的扩展）(136)
4.12.1 电源关闭标志(136)
4.12.2 设计中需要考虑的问题(136)
4.12.3 ONCE模式(136)
4.12.4 降低EMI模式(136)
4.12.5 装载看门狗允许位(136)

第5章 CAN总线驱动器
5.1 CAN总线驱动器82C250(137)
5.1.1 总述(137)
5.1.2 82C250功能框图(137)
5.1.3 功能描述(138)
5.2 CAN总线驱动器TJA1050(140)
5.2.1 总述(140)
5.2.2 TJA1050功能框图(140)
5.2.3 功能描述(141)
5.3 PCA82C250/251与TJA1040、TJA1050的比较和升级(142)
5.3.1 简介(142)
5.3.2 C250/251与TJA1050、TJA1040之间的区别(143)
5.3.3 引脚(143)
5.3.4 工作模式(144)
5.3.5 互用性(145)
5.3.6 硬件问题(147)
5.4 总线长度及节点数的确定(149)
5.5 总线终端及网络拓扑结构(151)
5.5.1 分离终端(151)
5.5.2 多终端(152)
5.5.3 单终端(152)
5.5.4 非匹配终端(152)
5.5.5 非终端支线电缆长度(153)

第6章 CAN控制器与8051系列单片机的接口技术
6.1 CAN总线系统智能节点设计(154)
6.1.1 CAN总线系统智能节点硬件电路设计(154)
6.1.2 CAN总线系统智能节点软件设计(155)
6.2 CAN中继器（网桥）设计(160)
6.2.1 CAN中继器硬件电路设计(160)
6.2.2 CAN中继器软件设计(161)
6.3 CAN总线与RS485总线转换网桥设计(166)

第7章 CAN控制器与PC机的接口技术
7.1 非智能型ISA总线CAN适配卡设计(170)
7.1.1 ISA总线简介(170)
7.1.2 硬件电路设计(171)
7.1.3 软件设计(173)
7.2 智能型CAN适配卡设计(193)
7.2.1 智能型CAN适配卡结构(193)
7.2.2 CAN适配卡软件设计(194)
7.3 SJA1000与PC机并行端口的接口(195)
7.3.1 PC机并行端口简介(195)
7.3.2 SJA1000与并行端口的接口电路设计(201)
7.3.3 SJA1000与并行端口接口的软件设计(203)

第8章 CAN总线应用与实验系统设计
8.1 CAN总线在大型食堂售饭系统中的应用(207)
8.1.1 食堂售饭系统基本网络结构(208)
8.1.2 学院食堂售饭系统网络拓扑结构(209)
8.1.3 系统网络参数配置(209)
8.1.4 食堂售饭系统应用层通信协议(212)
8.1.5 食堂售饭系统软件设计(216)
8.2 CAN总线技术在多个领域的应用综述(220)
8.2.1 大型仪器设备(220)
8.2.2 在传感器技术及数据采集系统中的应用(221)
8.2.3 在工业控制中的应用(221)
8.2.4 在机器人网络互联中的应用(222)
8.2.5 现场总线适配器在冷库计算机分布式控制系统中的应用(223)
8.2.6 在智能居室和生活小区管理中的应用(224)
8.3 一个CAN实验系统的设计(224)
8.3.1 CAN实验系统硬件电路设计(224)
8.3.2 CAN实验系统实验内容及软件设计(226)

第9章独立双CAN控制器
9.1 独立双CAN控制器特征与结构(234)
9.1.1 特征概述(234)
9.1.2 芯片引脚定义和功能描述(236)
9.1.3 82C900寄存器地址分配(239)
9.2 独立外壳寄存器(240)
9.2.1 外壳寄存器概述(240)
9.2.2 控制寄存器(242)
9.2.3 端口寄存器(250)
9.2.4 中断寄存器(254)
9.3 双CAN核心寄存器(255)
9.3.1 双CAN核心寄存器概述(255)
9.3.2 CAN节点A/B寄存器(257)
9.3.3 CAN 报文对象寄存器(266)
9.3.4 全局CAN控制/状态寄存器(275)
9.4 独立双CAN控制器功能描述(276)
9.4.1 主设访问CAN RAM(276)
9.4.2 页面模式的寄存器编址(277)
9.4.3 时钟发生器(278)
9.4.4 节电模式(279)
9.4.5 中断控制(280)
9.4.6 通过CAN总线初始化(281)
9.5 端口控制单元(281)
9.5.1 82C900与主设（微控制器）的接口(281)
9.5.2 用做通信通道的并行总线(284)
9.6 通过SSC的通信(286)
9.6.1 从属模式中的SSC(287)
9.6.2 主模式下的SSC(296)
9.6.3 SSC的设置(298)
9.7 双CAN模块描述(299)
9.7.1 概述(299)
9.7.2 双CAN控制外壳(301)
9.7.3 CAN节点控制逻辑(303)
9.7.4 报文处理单元(308)
9.7.5 CAN报文对象缓冲器（FIFO）(313)
9.7.6 网关报文处理(316)
9.7.7 双CAN模块的编程(323)
附录A CANalyst CANbus分析软件(327)
附录B USBCAN智能CAN接口卡(330)
附录C PCI5121智能CAN接口卡(332)
附录D PCI9810非智能CAN接口卡(333)
附录E CAN232智能CAN接口卡(334)
参考文献(336)