1 引言
CAN(Controller Area Network)是控制器局域網(wǎng)，主要用于各種設(shè)備檢測及控制的現(xiàn)場總線。CAN總線是德國BOSCH公司20世紀(jì)80年代初為解決汽車中眾多控制與測試儀器間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。這是一種多主總線，無論是在高速網(wǎng)絡(luò)還是在低成本的節(jié)點系統(tǒng)，應(yīng)用都很廣泛。由于采用了許多新技術(shù)及獨特的設(shè)計，與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性，其主要特點如下：
●通信方式靈活，可以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意一個節(jié)點均可以在任意時刻主動向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點發(fā)送信息，不分主從。
●CAN節(jié)點只需對報文的標(biāo)識符濾波即可實現(xiàn)點對點、點對多點及全局廣播方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，其節(jié)點可分成不同的優(yōu)先級，節(jié)點的優(yōu)先級可通過報文標(biāo)識符進行設(shè)置，優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)最多可在134μs內(nèi)傳輸，可以滿足不同的實時要求。
●CAN總線通信格式采用短幀格式，每幀字節(jié)數(shù)量多為8個字節(jié)，可滿足一般工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的要求，同時，8個字節(jié)不會占用總線時間過長，保證了通信的實時性。
●采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息出現(xiàn)沖突時，優(yōu)先級低的節(jié)點會主動退出數(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)，大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間，在網(wǎng)絡(luò)重載的情況下也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。
●直接通信距離最大可達10 km (速率在5 kb/s以下)，最高通信速率可達1 Mb/s (此時距離最長為40 m)；節(jié)點數(shù)可達110個,通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。
●CAN總線采用CRC檢驗并可提供相應(yīng)的錯誤處理功能，保證數(shù)據(jù)通信的可靠性，其節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能,使總線上其他節(jié)點的操作不受影響。
2 CAN總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
由于CAN總線采用多主方式工作,所以具有與DCS(分布式控制系統(tǒng))不一樣的拓撲結(jié)構(gòu)。其控制系統(tǒng)由計算機和智能節(jié)點組成,如圖1所示。該系統(tǒng)最大的特點是所有的節(jié)點都能以平等的地位掛接在總線上。1個總線節(jié)點通常至少包括3部分：控制節(jié)點任務(wù)的單片機、總線控制器及總線驅(qū)動器。本文主要介紹CAN總線智能節(jié)點的簡單設(shè)計。智能節(jié)點由89C5l型單片機、SJA1000型總線控制器、82C250型總線驅(qū)動器及PC構(gòu)成。在實際應(yīng)用中可以連接不同的傳感器件，完成數(shù)據(jù)的采集和傳輸。
3 硬件電路設(shè)計
筆者設(shè)計的CAN總線系統(tǒng)智能節(jié)點采用Intel公司的AT89C51型單片機作為節(jié)點的微處理器。AT89C51具有64KB的尋址空間。本身不帶CAN控制器,所以要實現(xiàn)與CAN總線之間的通信需外加CAN控制器和CAN驅(qū)動器。在本設(shè)計中采用SJAl000型CAN總線通信控制器和AT82C250型總線驅(qū)動器。
CAN總線系統(tǒng)智能節(jié)點硬件電路如圖2所示。從圖2可以看出，硬件電路主要由AT89C51、SJAl000、AT82C250、6N137型高速光電耦合器和MAX202型電平轉(zhuǎn)換器件組成。AT89C51負責(zé)SJAl000的初始化，控制SJAl000實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務(wù)。MAX202用于TTL電平與RS232電平的相互轉(zhuǎn)換，可以將接收的數(shù)據(jù)顯示在PC上。SJAl000的ADO-AD7連接到AT89C51的P0口，CS連接到AT89C51的P2.7。P2.7為0時，CPU片外存儲器地址可選中SJA1000，CPU通過這些地址可對SJAl000執(zhí)行相應(yīng)的讀/寫操作。SJAl000的RD、WR、ALE分別與AT89C51的相應(yīng)引腳相連，SJAl000的INT接AT89C51的INTl，AT89C51也可通過中斷方式訪問SJA1000。
為了增強總線節(jié)點的抗干擾能力，SJAl000的TX0和RX0并不直接與82C250的TXD和RXD相接,而是通過6N137與AT82C250相接，這樣，很好地實現(xiàn)了總線上各節(jié)點間的電氣隔離。不過，光耦電路用的2個電源VCC和VDD必須隔離。電源的完全隔離可采用小功率電源隔離模塊實現(xiàn)。這雖然增加了接口電路的復(fù)雜性，但卻提高了節(jié)點的穩(wěn)定性和安全性。
AT82C250與總線的接口也采取了一定的安全和抗干擾措施。AT82C250的CANH引腳和CANL引腳各自通過1只5 Ω的電阻器與總線相連，電阻器可起到一定的限流作用，保護AT82C250免受過電流沖擊。CANH和CANL與地之間并聯(lián)了2只30pF的小電容器，可以濾除總線上的高頻干擾并具有一定的防電磁輻射能力。另外,在2條CAN總線輸入端與地之間分別接了1個防雷擊管，當(dāng)2個輸入端與地之間出現(xiàn)瞬變干擾時，防雷擊管的放電起到一定的保護作用。AT82C250的RS引腳接1只斜率電阻器,其阻值的大小可根據(jù)總線通信速度適當(dāng)調(diào)整,一般在16 kΩ~140 kΩ之間。
4 軟件設(shè)計
4.1 網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)則
CAN總線為多主工作方式,網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點均可在任意時刻主動向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點發(fā)送信息而不分主從，通信方式靈活。為禁止總線沖突，CAN總線采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，根據(jù)需要將各個節(jié)點設(shè)定為不同的優(yōu)先級，并以標(biāo)識符ID標(biāo)定，其值越小，優(yōu)先級越高?？偩€的節(jié)點之間可以進行實時相互通信，當(dāng)1個節(jié)點需要接收另1個節(jié)點的數(shù)據(jù)時，只需把其代碼寄存器的內(nèi)容設(shè)置成和另1節(jié)點的標(biāo)識符一致即可。如果對于標(biāo)識符和其代碼寄存器的內(nèi)容設(shè)置不一致，則節(jié)點所發(fā)的數(shù)據(jù)不予理會。
4.2 SJAl000的工作模式設(shè)置
SJAl000有二種工作模式：復(fù)位模式和工作模式。在復(fù)位模式下可對接收代碼、接收屏蔽、總線時序寄存器O和1及輸出控制寄存器進行設(shè)置。一般在CAN初始化時完成對以上寄存器的設(shè)置，當(dāng)CAN進入工作模式后，它們的值就不再變化。在工作模式下可進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。特別要注意的是：當(dāng)硬件復(fù)位或控制器掉線時會自動進入復(fù)位模式，這樣就不能進行正常的CAN通信，這就要求對復(fù)位位進行監(jiān)控。當(dāng)發(fā)生硬件復(fù)位或控制器掉線而進入復(fù)位模式時，要求把復(fù)位位置為0并進入工作模式，這樣CAN就能進行正常發(fā)送和接收。
4.3 基于C語言的軟件編程
系統(tǒng)軟件的設(shè)計思想是系統(tǒng)上電后首先對AT89C51和SJAl000進行初始化，以確定工作主頻、波特率、輸出特性等。其中任一智能節(jié)點可以利用查詢方式通過SJAl000從CAN總線上獲取所需的數(shù)據(jù)并把該數(shù)據(jù)傳送到PC上顯示，同時可以向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)以供其他智能節(jié)點接收顯示。以下是具體實現(xiàn)程序。
以上就是進行試驗的程序，其中reg51.h是為AT89C52主控制器專門編寫的庫函數(shù)，它在Keil軟件中是現(xiàn)成的，只要用#include語句包括進來即可；intrins.h是為以后調(diào)用空函數(shù)_nop_()作準(zhǔn)備，它里面包括了類似于匯編語言的NOP語句；CAN_TOUWENJIAN.h是頭文件，用于對相關(guān)寄存器的定義。Tx_DATA_CAN()函數(shù)用于向總線發(fā)送數(shù)據(jù),REC_DATA_CAN()函數(shù)用于從總線接收數(shù)據(jù)，SERIAL()用于PC與智能節(jié)點間的相互通信。限于篇幅,發(fā)送子程序和接收子程序沒有具體給出。
5 結(jié)束語
在CAN總線的開發(fā)試驗過程中，筆者掌握了CAN總線智能節(jié)點的設(shè)計，并在實踐中進行了應(yīng)用。通過應(yīng)用證明，CAN總線具有以下優(yōu)點：組網(wǎng)自由，擴展性強；自動錯誤界定，簡化了通信的操作；可根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容確定優(yōu)先權(quán)，解決通信的實時性問題。此外，CAN網(wǎng)絡(luò)已在眾多工業(yè)控制系統(tǒng)中應(yīng)用，尤其在傳輸速率較高而且對實時性及可靠性要求高的場合，CAN總線將有廣闊的應(yīng)用前景。本文來源于《某型控制系統(tǒng)信號信息傳輸改進研究》課題組，組長是劉永鴻教授，副組長是張文宏副教授，主要參與者有黃晨副教授、趙勇講師、李金剛研究生。