摘? 要: 針對單片機多機系統(tǒng)主從式通信的缺點，提出了利用CAN控制器實現(xiàn)單片機多機系統(tǒng)對等式通信，并對其硬件組成原理、通信程序的設計做了詳細的分析。
關鍵詞: 單片機多機系統(tǒng)? “對等式”通信? 控制器局域網(wǎng)(CAN)
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關于單片機的多機通信，許多文章及相關書籍都有介紹，但就其多機通信的方式而言大多為“主從式”，這一通信方式限制了單片機功能的發(fā)揮及廣泛應用。雖然文獻[1]利用巧秒的硬件手段實現(xiàn)了單片機多機之間的“對等式”通信，但其通信方式實質(zhì)上仍是“主從式”。本文介紹了一種基于CAN控制器的單片機多機系統(tǒng)，從本質(zhì)上實現(xiàn)了任意兩機之間的直接相互通信，從而克服了“主從式”多機通信的缺點。
1 CAN技術簡介
CAN (Controller Area Net)即控制器局域網(wǎng)，是主要用于各種過程(設備)監(jiān)測及控制的一種網(wǎng)絡。CAN最初是由德國BOSCH公司為汽車的監(jiān)測、控制系統(tǒng)而設計的。由于CAN具有卓越的特性和極高的可靠性，特別適合于工業(yè)過程中監(jiān)控設備的互連，因此，越來越受到工業(yè)界的重視。具體來講，CAN具有如下特性:
(1)CAN可以多主方式工作，網(wǎng)絡上任意一個節(jié)點均可以在任意時刻主動地向網(wǎng)絡上的其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活;
(2)CAN可以點對點、點對多點(成組)及全局廣播方式傳送接收數(shù)據(jù);
(3)CAN網(wǎng)絡上的節(jié)點信息可分成不同的優(yōu)先級，可以滿足不同的實時要求;
(4)CAN采用非破壞性總線仲裁技術。當兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡上發(fā)送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，大大地節(jié)省了總線仲裁沖突時間，在網(wǎng)絡負載很重的情況下也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡癱瘓;
(5)CAN的直接通信距離最大可達10km(速率小于5kbps)，最高通信速率可達1Mbps(此時距離最長為40m)。
2 基于CAN控制器的對等式單片機多機系統(tǒng)軟硬件設計
2.1 系統(tǒng)硬件設計
2.1.1 系統(tǒng)組成原理及通信過程
所謂對等式通信，就是單片機多機系統(tǒng)中任一節(jié)點均可主動地與其它節(jié)點直接交換數(shù)據(jù)，而無須經(jīng)過第三方。從此角度出發(fā)，我們設計的基于CAN控制器的單片機多機系統(tǒng)組成如圖1所示。
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系統(tǒng)中的每個節(jié)點由單片機、CAN控制器、CAN收發(fā)器組成。單片機主要用于系統(tǒng)的計算及信息處理等功能;CAN控制器主要用于系統(tǒng)的通信;CAN收發(fā)器主要用于增強系統(tǒng)的驅(qū)動能力。系統(tǒng)的發(fā)送過程是:單片機將外圍設備或其他節(jié)點傳送過來的信息處理后，按CAN規(guī)范規(guī)定的格式將其寫入CAN控制器的發(fā)送緩沖區(qū)，并啟動發(fā)送命令，把數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上;接收過程是:CAN控制器從CAN總線上自動接收數(shù)據(jù)，并經(jīng)過濾后存入CAN接收緩沖區(qū)，且向單片機發(fā)出中斷請求，此時單片機可從CAN接收緩沖區(qū)讀取要接收的數(shù)據(jù)。
2.1.2 系統(tǒng)節(jié)點硬件設計舉例
圖2是所研制的低成本農(nóng)業(yè)溫室控制系統(tǒng)中與本文相關部分的硬件電路圖。
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設計時應注意以下幾點:
(1)總線兩端各有一個120Ω的電阻，對于匹配總線阻抗起著相當重要的作用。否則，數(shù)據(jù)通信的抗干擾性及可靠性大大降低，甚至無法通信。
(2)為了CAN與單片機之間時序的同步，一般采用CAN控制器給單片機提供時鐘信號，此時時鐘信號對CHMOS型單片機應接XTALI引腳，對HMOS型單片機應接XTAL2引腳。
(3)若CAN收發(fā)緩沖器用集成元器件，則RX1腳應接地，且CDR寄存器中的CBP位應置邏輯1。否則，RX1引腳電位必需維持在2.5V以上，且CDR寄存器中的CBP位應置邏輯0，以形成CAN要求的邏輯電平。
2.2 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件設計的關鍵是通信程序的設計。通信軟件由三部分組成:初始化程序、發(fā)送程序、接收程序。由于系統(tǒng)中任意一節(jié)點在任意時刻均可主動與其它節(jié)點通信，所以，各節(jié)點的通信程序相同。
2.2.1 初始化程序
初始化程序主要是通過對CAN控制器控制段中的寄存器寫入控制字從而確定CAN控制器的工作方式等。有三種方式進入初始化程序:一是上電復位;二是硬件復位;三是軟件復位，即運行期間通過給CAN控制器發(fā)一個復位請求，置復位請求位為1。在復位期間，必需初始化的寄存器有:MR(PeliCAN模式)模式寄存器、CDR時分寄存器、ACR接收代碼寄存器、MAR屏蔽寄存器、BTR總線定時寄存器、OCR輸出控制寄存器等。需要注意的是，這些寄存器僅能在復位期間可寫訪問。因此，在對這些寄存器初始化前，必須確保系統(tǒng)進入了復位狀態(tài)。初始化程序的流程圖如圖3所示。
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2.2.2 發(fā)送程序
信息從CAN控制器發(fā)送到CAN總線是由CAN控制器自動完成的。發(fā)送程序只需把被發(fā)送的信息幀送到CAN的發(fā)送緩沖區(qū)，且啟動發(fā)送命令即可。發(fā)送程序可采用查詢方式或中斷方式。由于查詢方式比較簡單，這里僅討論中斷方式發(fā)送程序的設計。對于中斷方式，發(fā)送程序分為兩部分:一是主程序;二是中斷服務程序。主程序主要用于控制信息的發(fā)送及當發(fā)送緩沖區(qū)滿時，把要發(fā)送的信息暫存到臨時存儲區(qū);中斷發(fā)送程序負責把臨時存儲區(qū)中的暫存信息發(fā)送出去。兩者的流程圖分別見圖4、圖5。
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2.2.3 接收程序
信息從CAN總線到CAN接收緩沖區(qū)是由CAN控制器自動完成的。接收程序只需從接收緩沖區(qū)讀取要接收的信息即可。接收程序也可采用查詢方式或中斷方式，兩者的繁簡程度相當，此處以查詢方式為例給出接收程序的流程圖(見圖6)。
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以上給出的流程圖均為一般性流程圖。在使用時應結(jié)合實際項目具體化，并且發(fā)送程序中可能會有應急處理，接收程序中會有數(shù)據(jù)過載情況。限于篇幅，此處不予以討論。
基于CAN控制器的單片機多機通信系統(tǒng)，由于其通信效率高、抗干擾性強、傳輸距離較遠，適合于中小型分布式控制系統(tǒng)，且由于其價格低廉，在低成本自動化領域有著廣泛的應用空間。
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參考文獻
1 彭宗乾.MCS-51單片機多機通信的組成原理及通信程序.電子技術應用，1992；(18)4
2 SJA1000 Stand-alone CAN controller Application Note?Philips Semiconductor.1997
3 陽憲惠.現(xiàn)場總線技術及其應用.北京:清華大學出版社，1999.6