基于SJA1000的CAN總線控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

0 引言

CAN-bus(Controller Area Network)即控制器局域網(wǎng)是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。最初CAN-bus被設(shè)計作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊工具，用于在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息，從而形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。如今，CAN-bus作為一種技術(shù)先進、可靠性高、功能完善、成本合理的遠程網(wǎng)絡(luò)通訊控制方式，已被廣泛應(yīng)用到各個自動化控制系統(tǒng)中。而且CAN-bus總線在通信能力、可靠性、實時性、靈活性、易用性、傳輸距離等方面較RS-485總線有著明顯的優(yōu)勢。因而用CAN總線取代RS-485總線將是大勢所趨。

1 CAN總線的主要特性

CAN總線與其它通信網(wǎng)的不同之處有二：一是報文傳送中不包含目標(biāo)地址，它是以全網(wǎng)廣播為基礎(chǔ)，各接收站根據(jù)報文中反映數(shù)據(jù)性質(zhì)的標(biāo)識符來過濾報文，該收的收下，不該收的棄而不用。其好處是可在線上網(wǎng)下網(wǎng)、即插即用和多站接收；二是特別強化數(shù)據(jù)安全，可滿足控制系統(tǒng)及其它較高數(shù)據(jù)要求的系統(tǒng)需求。CAN具有以下主要技術(shù)特性：

(1)CAN遵從ISO模型，采用了其中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層與應(yīng)用層。采用雙絞線，通信速率最高可達到1 Mbps／40 m，直接傳輸距離最遠可達10 kin／5 kbps。同一段總線內(nèi)最多可掛接110個設(shè)備。

(2)CAN的信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀有效字節(jié)數(shù)為8個。因而傳輸時間短，受干擾的概率低。當(dāng)節(jié)點發(fā)生嚴(yán)重錯誤時，CAN可自動關(guān)閉該節(jié)點，同時切斷與總線的聯(lián)系，以使總線上其它節(jié)點不受影響，因此CAN總線具有很強的抗干擾能力。

(3)CAN可支持多主工作方式，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點在任何時候均可主動向其它節(jié)點發(fā)送信息，同時也支持點對點、一點對多點和全局廣播方式來接收／發(fā)送數(shù)據(jù)。處于優(yōu)先級低的節(jié)點會主動停止發(fā)送，以此來避免總線沖突。

2 CAN總線接口硬件電路的設(shè)計

硬件電路的設(shè)計主要是CAN通信控制器與微處理器之間和CAN總線收發(fā)器與物理總線之間的接口電路的設(shè)計。CAN通信控制器是CAN總線接口電路的核心，主要完成CAN的通信協(xié)議，而CAN總線收發(fā)器的主要功能是增大通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護總線，降低射頻干擾(RFI)，實現(xiàn)熱防護等。

2.1 CAN總線接口電路

SJA1000硬件接口原理圖如圖l所示。圖中，CAN總線控制器SJA1000的ADO-AD7連接到AT89C51的P0口。片選端CS取反后連接到AT89C51的P2.7，當(dāng)P2.7為1時，CPU片外存儲器地址可選中SJA1000。CPU通過這些地址可對SJA1000執(zhí)行相應(yīng)的讀／寫操作(即：SJA1000首地址為8000H)。SJA1000的RD、WR、ALE分別與AT89C51的對應(yīng)引腳相連。由于SJA1000是低電平復(fù)位，而AT89C51是高電平復(fù)位，所以兩者的復(fù)位端接法不同。另外，當(dāng)SJA1000的11腳MODE接高電平時，可選擇Intel二分頻模式。SJA1000的16腳(INT)是中斷信號輸出端，在中斷允許的情況下，有中斷發(fā)生時，16腳會輸出由高電平到低電平的跳變，因此將AT89C51的外部中斷輸入腳(INT0)與該腳相連接，即可通過中斷方式來訪問SJA1000。為了增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，本設(shè)計采用SJA1000的具有光電隔離的CAN總線接口。SJA1000的發(fā)送輸出端TX0與接收輸入端RXO、RX1分別經(jīng)高速集成光電耦合器6N137隔離后，與CAN總線接口驅(qū)動芯片82C250的TXD和RXD相連，82C250直接與CAN物理總線相連。CAN總線驅(qū)動器PCA82C250是CAN控制器和物理總線之間的接口，具有可向總線的差動發(fā)送數(shù)據(jù)和CAN控制器的差動接收數(shù)據(jù)的功能。


2.2設(shè)計注意事項

在進行電路設(shè)計時應(yīng)注意以下幾點：

(1)總線兩端必須接兩個終端匹配電阻Rs，若忽略掉它們，會使數(shù)據(jù)通信的抗干擾性及可靠性大大降低。

(3)SJA1000的TX1腳懸空時，RX1引腳的電位必須維持在約0.5Vcc上，否則，將不能形成CAN協(xié)議所要求的電平邏輯。因本系統(tǒng)傳輸距離近，環(huán)境干擾小，可以不用電流隔離，這樣可以直接把82C250的Vref端(約為0.5 Vcc)與SJA1000的RX1相連，從而簡化了電路設(shè)計。

(4)設(shè)計時將SJA1000的CLOCKOUT的時鐘信號接至AT89C51的時鐘電路輸入端，來作為AT89C51的外部時鐘輸入，從而解決了時鐘同步問題：同時將SJA1000中斷輸出信號／INT接至AT89C51的／INT0端，通過中斷方式與AT89C51進行通信。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電后首先對82C250和SJA1000進行初始化。以確定工作主頻、波特率、輸出特性等，然后通過查詢方式獲取模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣值，并把該值通過SJA1000傳送到CAN總線上由上位PC機來進行顯示控制。而對來自CAN總線上的信息則采用中斷方式處理，系統(tǒng)每接收到一幀信息，便產(chǎn)生一次中斷以觸發(fā)微處理器進入中斷模式，然后在中斷服務(wù)程序中讀取該幀信息并傳送到現(xiàn)場。SJA1000的初始化程序如下：

    MOV DPTR，#CR：控制寄存器CR的地址送DPTR
    MOVA，#01H
    MOVX@DPTR，A：進入復(fù)位模式
    MOV DPTR，#CDR
    MOVA，#00H
    MOVX@DPTR，A：選擇BASIC CAN模式、時鐘不輸出
    MOV A，#NODECODE
    MOVX @DPTR，A；節(jié)點號NODECODE寫入ACR
    MOVX DPTR，#AMR
    MOV A，#00H
    MOV @DPTR，A；AMR置為0，當(dāng)且僅當(dāng)RXID0=ACR時接收數(shù)據(jù)
    MOV DPTR，#BTR0；設(shè)定總線時序寄存器BTR0，系統(tǒng)采用12 MHz晶振
    MOV A，#85H；分頻后總線時鐘頻率為2MHz
    MOVX @DPTR，A；同步跳轉(zhuǎn)寬度為3tscl
    MOV DPTR，#BTR1；設(shè)定總線時序寄存器BTR1
    MOV A，#OB4H：位同步時間為1個tsc1，采樣開始位置TSEG1=5tsc1
    MOVX @DPTR，A；TSEG2=4tsc1，每一位時間10tsc1(200 kHz)，每位采樣3次
    MOV DPTR，#OCR；設(shè)置輸出控制寄存器
    MOV A，#1AH：數(shù)據(jù)從TX0按正常輸出模式同極性輸出
    MOV @DPTR，A；TX1不用
    MOV DPTR，#CR；初始化完成，使控制器退出復(fù)位模式，進入工作模式工作。
    MOV A，#06H
    MOV @DPTR，A

SJA1000在經(jīng)過初始化后便開始接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，其程序流程分別如圖2和圖3所示。



4結(jié)束語

該接口電路在經(jīng)DP-51H單片機通訊仿真實驗儀的調(diào)試后，結(jié)果表明它能模擬實現(xiàn)通信功能，且其抗干擾性能優(yōu)良，通信速率較高，電路也比較簡單，是開發(fā)與應(yīng)用其它CAN總線產(chǎn)品的基礎(chǔ)。