Последовательный CAN-порт процессора обработки данных

Разработка структурной схемы и поведенческой модели последовательного CAN-порта. Методика синтеза и синтез схем. Построение топологии и анализ результатов. Техническая прогрессивность новой конструкции. Verilog-описание механизма сигнализации ошибок.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

РЕФЕРАТ

Ключевые слова порт, микроконтроллер, механизм, блок, схема, ошибка, обнаружение, модель, синтез, топология, интеграция.

Объектом разработки выступает порт, спроектированный в соответствии со спецификацией стандарта CAN (Controller Area Network - Распределенная сеть контроллеров) последовательной передачи данных по каналу связи и техническими условиями на данный проект.

Цель работы - разработать последовательный CAN-порт в соответствии с техническими условиями, показать его экономическую эффективность и оценить влияние на окружающую среду.

В качестве вспомогательной аппаратуры выступает ЭВМ, так как разработка производится в среде САПР.

В результате проекта синтезированы принципиальные электрические схемы узлов устройства, произведено их моделирование и тестирование, а также получены временные диаграммы работы устройства и топология.

Основные конструктивные, технологические и технико-эксплутационные характеристики в полной мере соответствуют принятому международному стандарту CAN и удовлетворяют всем его требованиям.

Рекомендации по внедрению могут быть следующие: разработанная схема может широко внедряться и использоваться при проектировании различного вида микроконтроллеров практически любой архитектуры, так как является универсальным устройством, позволяющим передавать данные в последовательном виде.

Содержание

Введение

1. Обзор литературы и патентный поиск

2. Разработка структурной схемы последовательного CAN-порта

2.1 Разработка общей структурной схемы

2.2 Разработка структурной схемы механизма обнаружения ошибок

3. Разработка поведенческой модели последовательного CAN-порта

4. Тестирование последовательного CAN-порта

5. Методика синтеза и синтез схем последовательного CAN-порта

6. Построение топологии и анализ полученных результатов

7. Организационно-экономический раздел

7.1 Предварительная оценка планируемой к выполнению проектно-конструкторской работы

7.2 Расчет трудоемкости ПКР

7.3 Расчет договорной цены научно-технической продукции

7.4 Выбор и обоснование товара-конкурента

7.5 Анализ технической прогрессивности новой конструкции

7.6 Анализ изменений функциональных возможностей

7.7 Анализ соответствия новой конструкции нормативам

7.8 Расчёт годовых издержек на электроэнергию потребителя последовательного CAN-порта в условиях эксплуатации

7.9 Расчёт полезного эффекта последовательного CAN-порта в эксплуатации

7.10 Образование цены нового последовательного CAN-порта

7.11 Образование цены потребления и установление коммерческой конкурентоспособности

7.12 Обоснование уровня качества нового товара

8. Безопасность и экологичность

8.1 Анализ опасных и вредных факторов

8.2 Факторы воздействия на инженера

8.3 Методы защиты

8.4 Расчет шума на рабочем месте

8.5 Пожаробезопасность

8.6 Экологичность

Заключение

Список литературы

ПРИЛОЖЕНИЕ А Verilog-описание механизма сигнализации ошибок

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Verilog-описание тестовой программы

Введение

В настоящее время стандарт CAN широко распространен во всех отраслях производства и эксплуатации где требуется высокая помехозащищенность и надежность передаваемой информации при небольших ее объемах. Данными отраслями являются: различного вида заводы, производственные предприятия, транспорт, сигнализации и прочие направления, где используется значительное количество датчиков для обработки информации пришедшей из внешней среды. Одним словом CAN нужен везде, где есть распределенная система управления в реальном времени.

Необходимость данного проекта по проектированию последовательного CAN-порта назрела в связи с надобностью внедрения его в отечественные разработки микроконтроллеров (МК) и процессоров цифровой обработки сигналов (ПЦОС). Целью проекта является получение принципиальной электрической схемы и топологии узлов данного продукта.

Основными исходными данными при разработке последовательного CAN-порта является международная спецификация на данный стандарт [4], принадлежащая Robert Bosch GmbH (Роберт Бош ГмбХ) и разработанная ей в 1987 году. В упомянутом документе содержатся описания всех уровней систем на CAN (физический, канальный, объектный), их взаимодействие, формат сообщений, алгоритмы обнаружения ошибок и т.п.

Основной задачей проекта выступает разработка алгоритмов работы схемы в соответствии со стандартом CAN, описание их на языке Verilog (Верилог), моделирование описанного на САПР Cadence SimVision® (Кэденс Симвижн), визуальная проверка временных диаграмм работы устройства после моделирования. При корректной работе модели следует произвести синтез электрических схем описанных блоков устройства с помощью библиотеки элементов, которая задана в технических условиях. После успешного синтеза схем они подлежат разводке на кристалле кремния.

1. Обзор литературы и патентный поиск

Была использована вся необходимая литература по вопросу CAN.

В статье С.А. Третьякова “CAN - локальная сеть контролеров”[1] в научно-популярной форме изложены некоторые положения. Часть статьи, дополненная автором, приведена ниже.

Последовательный CAN-порт предназначен для обмена информацией в системах распределенного контроля в реальном времени в соответствии со стандартом ISO 11898 (1993) CAN 2.0A, 2.0B. Первоначально CAN предназначался для управления трансмиссией в реальном масштабе времени, системы анти-заноса и замены всей радиальной проводки автомобиля. Впоследствии CAN, подобно урагану, ворвался во все сферы промышленного управления. Протокол CAN обладает великой скрытой мощью, которая не очевидна до тех пор, пока не проникнуть в проблемы вокруг проектирования встроенных распределенных систем управления, где различные модули, блоки, узлы и датчики должны быть объединены в единую систему.

Областью применения этого продукта являются, как уже говорилось выше, следующие отрасли народного хозяйства: транспорт любого вида, гражданская и военная промышленность, космические исследования, системы сигнализации и оповещения.

Любой современный автомобиль, локомотив, морское или речное судно, самолет нельзя представить без хотя бы одного блока, где используется CAN. Это же касается и военного транспорта. Различные заводы и производственные предприятия используют в своих цехах системы распределенного управления на основе шины CAN. Космические аппараты всевозможного назначения имеют также на своем борту CAN-систему, подобную автомобильной. Пожарные, охранные и прочие сигнализации в большинстве своем основаны на стандарте CAN.

Рассмотрим практическое применение CAN на борту автомобиля. В автомобиле присутствует множество датчиков, пересылающих информацию на бортовой компьютер. Это датчики давления и температуры масла, температуры охлаждающей жидкости, уровня тормозной жидкости, уровня жидкости омывателей лобового стекла и фар, датчик расхода воздуха, датчик расхода топлива, дождя, света и многие другие. Все эти сенсоры должны работать независимо друг от друга с возможностью отключения от системы (в случае неисправности самих себя или по желанию водителя) без ущерба для работы самой системы и остальных датчиков. При этом они должны качественно и с большой степенью надежности передавать информацию в бортовой компьютер для своевременного предупреждения неисправности. Особенно это касается “жизненно важных” индикаторов, таких как датчик износа тормозных колодок, давления тормозной жидкости, скорости вращения колес, положения руля и подушек безопасности.

Все эти условия может полностью удовлетворить протокол CAN. Он поддерживает высоконадежную передачу данных, как на физическом, так и на канальном уровнях, что обеспечивает вероятность пропуска сообщения 4,7*10^(-11). Также он подразумевает “безболезненное” отключение от шины любого из узлов сети. К тому же за счет топологии “шина” он защищен от физического обрыва провода. Более наглядно этот факт показан на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема физического подключения узлов CAN-системы

Где node 1…node n - узел 1 и узел n соответственно. CAN Bus Line - CAN-шина. CAN_H и CAN_L - условные обозначения дифференциальных проводов (каналов) шины.

Таким образом, мы плавно переходим к техническому описанию стандарта.

Оно доходчиво дано в научно-популярной статье А. Лапина “Интерфейс CAN. Слагаемые успеха”[2]. Ниже приводится краткое содержание этой статьи.

Сетевой протокол CAN был разработан в 1987 году фирмой Bosch (Бош) для мультипроцессорных автомобильных систем реального времени. CAN оптимизирован для систем, в которых передается сравнительно небольшой объем информации со скоростью до 1 Мбит/с. Основные достоинства CAN-протокола - высокая помехоустойчивость, надежность, возможность получения сообщений всеми узлами, контроллерами данных с синхронизацией по времени, неразрушающий арбитраж доступа к шине, малая вероятность пропуска ошибки, низкая стоимость. Принятая в CAN-интерфейсе схема п...