用87C196NT單片機實現(xiàn)CAN總線通信

1 CAN總線簡介

CAN（Controller Area Network）即控制器局域網(wǎng)，主要用于各種設(shè)備監(jiān)測及控制的一種現(xiàn)場總線。CAN總線最初是由德國Bosch公司為汽車的監(jiān)測、控制系統(tǒng)而設(shè)計的。CAN總線具有獨特的設(shè)計思想，良好的功能特性和極高的可靠性，現(xiàn)場抗干擾能力強。具體來講，CAN總線具有如下特點：

*結(jié)構(gòu)簡單，只有2根線與外部相連，且內(nèi)部含有錯誤探測和管理模塊。

*通信方式靈活?？梢远嘀鞣绞焦ぷ鳎W(wǎng)絡(luò)上任意一個節(jié)點均可以在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從。

*可以點對點、點對多點及全局廣播方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

*網(wǎng)絡(luò)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。

　　
*CAN總線通信格式采用短幀格式，每幀字節(jié)數(shù)最多為8個，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時，8個字節(jié)也不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。[next]

*采用非破壞性總線仲裁技術(shù)。當2個節(jié)點同時向總線上發(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)。這大大地節(jié)省了總線仲裁沖突時間，在網(wǎng)絡(luò)負載很重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10km（速率5kb/s以下），最高通信速率可達1Mb/s（此時距離最長為40m）；節(jié)點數(shù)可達110個，通信介質(zhì)可以是雙絞線、網(wǎng)軸電纜或光導(dǎo)纖維。

*CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等多項工作。

*CAN總線采用CRC檢驗并可提供相應(yīng)的錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。

CAN總線的以上特點，為工業(yè)控制系統(tǒng)中高可靠性的數(shù)據(jù)傳送提供了一種新的解決方案。其在國外工業(yè)測控領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)國內(nèi)的許多工業(yè)控制領(lǐng)域也開始使用基于CAN的現(xiàn)場總線。CAN總線已成為最有發(fā)展前途的4種現(xiàn)場總線之一。

2 單片機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

本設(shè)計采用Intel 196系列中的87C196NT單片機。87C196NT具有1MB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)動芯片。在本設(shè)計中我們采用LTL-CAN。LTL-CAN是一種CAN總線控制、驅(qū)動隔離收發(fā)器，由CAN控制器芯片PCA82C200、CAN驅(qū)動芯片PCA82C250、16MHz的晶振及光隔電路用厚膜封裝而成。它只支持標準信息幀格式，其內(nèi)部邏輯功能如圖1所示。LTC-CAN引腳定義如表1所列。

表1 LTL-CAN引腳定義

單片機與CAN總線的接口電路如圖2所示。圖中LTC-CAN是帶光隔的CAN控制器和物理總線間的接口，提供對總線的差動發(fā)送和接收功能。電阻R1作為CAN終端的匹配電阻。LTL-CAN芯片的片選信號CSCAN通過GAL16V8譯碼產(chǎn)生，其地址為08000H-08FFFH.87C196NT的P3口是數(shù)據(jù)/地址復(fù)用口，在圖2中沒有畫出地址鎖存芯片（74HC573）；P1.0接CAN芯片的中斷引腳，P1.0為低，表示為CAN中斷產(chǎn)生。

3 單片機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 CAN信息包格式說明

一個有效的CAN的數(shù)據(jù)幀由幀起始、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域、校驗域、應(yīng)答域和幀結(jié)束組成。CAN控制器有2種不同的幀格式：標準格式和擴展格式。它們的主要區(qū)別在于仲裁域格式不同：標準幀仲裁域由11位標志符和遠程發(fā)送請求位RTR組成；擴展幀仲裁域由29位標志符和替代遠程請求SRR位、標志位和遠程發(fā)送請求位RTR組成，如圖3所示。

標志符作為報文的名稱，在仲裁過程期間，首先被送到總線。在接收器的驗收判斷中和仲裁過程確定訪問優(yōu)先權(quán)中都要用到。

遠程發(fā)送請求位（RTR）用來確定發(fā)送遠程幀還是數(shù)據(jù)幀：當RTR為高電平時，CAN控制器發(fā)送遠程幀；為低電平時，發(fā)送數(shù)據(jù)幀。

數(shù)據(jù)長度碼（DLC）用來確定每幀發(fā)送幾字節(jié)的數(shù)據(jù)，最多為8字節(jié)。

3.2 CAN控制器PCA82C200介紹

PCA82C200芯片是Philips公司生產(chǎn)的CAN控制器，是一種I/O設(shè)備基于內(nèi)存編址的微控制器。雙設(shè)備的獨立操作是通過像RAM一樣的片內(nèi)寄存器修正來實現(xiàn)的。它只支持標準的信息幀格式。

PCA82C200的地址區(qū)包括控制段和信息緩沖區(qū)控制段。在初始化載入時可被編程來配置通信參數(shù)（例如，位時序）。微控制器也是通過這個段來控制CAN總線上通信的。

PCA82C200有2種工作模式：復(fù)位模式和工作模式。在復(fù)位模式下可以對接收代碼、接收屏蔽、總線時序寄存器0和1以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CAN進入工作模式后，它們的值就不再變化。在工作模式下可以進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。特別要注意的是當硬件復(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)位進行監(jiān)控。當發(fā)生硬件復(fù)位或控制器掉線而進入復(fù)位模式時，就要求把復(fù)位位置為0進入工作模式，這樣CAN就能正常地發(fā)送接收了。

3.3 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)上其它節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從。通信方式靈活，且無需占地址等節(jié)點信息。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，并以標志符ID標定，其值越小，優(yōu)先級越高。

在本系統(tǒng)的實際應(yīng)用中，主站負責整個網(wǎng)絡(luò)。它向從站發(fā)送各種控制命令，從站按照來自主站的命令進行操作。主站可以選擇任意一個從站交換數(shù)據(jù)信息，任一從站一旦被選中，即可以接收來自主站的信息，也可以依據(jù)從站的命令和凡站回送信息。當某一從站發(fā)生故障時，可以主動向從站發(fā)送有關(guān)信息。任一從站與主站交換信息時，必須帶上從站地址信息。

3.4 下位機軟件編程

單片機87C196NT與上位機之間的CAN通信接口程序見本刊網(wǎng)絡(luò)補充版。（http://www.dpj.com.cn）。單片機向上位機一直以500 Kbps的波特率發(fā)送數(shù)據(jù)，當單片機接收到上位機下傳的數(shù)據(jù)后，又把接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給上位機。用我國臺灣研華公司的CAN卡，調(diào)試時用它自帶的Monitor程序。

結(jié)束語

將CAN現(xiàn)場總線應(yīng)用于電力系統(tǒng)線路分段保護監(jiān)控單元中，有利于實現(xiàn)電力系統(tǒng)中檢測的實時性和可靠性。在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，進一步提高了電網(wǎng)的自動化監(jiān)測和管理水平，對提高供電的可靠性、增加電網(wǎng)的經(jīng)濟效益有著重大的意義。