基于C8051的CAN多點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

摘要 針對(duì)工業(yè)上對(duì)于多個(gè)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控的高速率、低延遲、錯(cuò)誤率低、穩(wěn)定性高的要求，基于C8051系列單片機(jī)設(shè)計(jì)了CAN多點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用CAN通信獨(dú)有的非破壞性總線仲裁和報(bào)文濾波技術(shù)，使得多設(shè)備與主機(jī)、多設(shè)備之間的通信變得流暢，接入方式簡(jiǎn)易。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)通信速度快、錯(cuò)誤率低、穩(wěn)定性高且方便增加通信設(shè)備，與傳統(tǒng)的RS232、485通信系統(tǒng)相比，通信速率有明顯提高，可用于工業(yè)上對(duì)于多個(gè)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
關(guān)鍵詞 CAN總線；CAN協(xié)議；多點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信；C8051F040

    現(xiàn)場(chǎng)總線是用于過(guò)程自動(dòng)化和制造自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表互連的通信網(wǎng)絡(luò)，是現(xiàn)場(chǎng)通信、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制系統(tǒng)的集成。它在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信、完成測(cè)量控制任務(wù)；是一種開(kāi)放型的網(wǎng)絡(luò)，使測(cè)控裝置隨現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備分散化，被譽(yù)為自控領(lǐng)域的局域網(wǎng)。它在制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓宇等處的自動(dòng)化系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。
    CAN是Controller Area Net的縮寫(xiě)，即控制網(wǎng)絡(luò)局部網(wǎng)，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)路。CAN是德國(guó)Bosh公司為汽車的檢測(cè)、控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。由于CAN具有卓越的特性和較高的可靠性，因而非常適合工業(yè)過(guò)程監(jiān)控設(shè)備互連。CAN已經(jīng)成為一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(ISO-11898)，是最具前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。

1 控制器局域網(wǎng)(CAN)
1．1 CAN總線的特點(diǎn)
    (1)CAN總線以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活，且無(wú)需考慮接收者地址的優(yōu)先級(jí)。
    (2)CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分不同的優(yōu)先級(jí)，可滿足不同的實(shí)時(shí)要求，高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)最多可在134μs內(nèi)得到傳輸。
    (3)CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)比較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間。
    (4)CAN只需通過(guò)報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無(wú)需專門(mén)的“調(diào)度”。
    (5)CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km，此時(shí)速率5 kbit·s-1；通信速率最高可達(dá)1 Mbit·s-1，此時(shí)通信距離最長(zhǎng)為40 m。
    (6)CAN的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá)110個(gè)；報(bào)文標(biāo)識(shí)符可達(dá)2 032種(CAN2．0A)；而擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)(CAN2．0B)的報(bào)文標(biāo)識(shí)符幾乎不受限制。
    (7)采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，具有良好的檢錯(cuò)效果。
    (8)CAN的每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低。
    (9)CAN的通信介質(zhì)可為雙絞線，同軸電纜或光纖，選擇靈活。
    (10)CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出的功能，這是總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。
    正因?yàn)镃AN總線具有以上這些特點(diǎn)，所以能較好地滿足多點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信平臺(tái)的要求。
1．2 CAN總線協(xié)議
    CAN的協(xié)議結(jié)構(gòu)劃分為兩層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。數(shù)據(jù)鏈路層又劃分為邏輯鏈路控制子層和介質(zhì)訪問(wèn)控制子層。物理層可分為物理信號(hào)層PLS、物理介質(zhì)連接PMA和介質(zhì)相關(guān)接口MDI。CAN的ISO／OSI參考分層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    數(shù)據(jù)鏈路層的LLC和MAC子層的服務(wù)和功能被描述為“目標(biāo)層”和“傳送層”。LLC子層的主要功能是：為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求提供服務(wù)，確認(rèn)由LLC子層接收的報(bào)文是否已被接收，并為恢復(fù)管理和通知超載提供信息。MAC子層的功能主要是傳送規(guī)則，亦即控制幀結(jié)構(gòu)、執(zhí)行仲裁、錯(cuò)誤檢測(cè)、出錯(cuò)標(biāo)定和故障界定。MAC子層也要確定何時(shí)開(kāi)始一次新的發(fā)送，總線是否開(kāi)放或者是否馬上開(kāi)始接收。定位時(shí)特性也是MAC子層的一部分。
    物理層定義了信號(hào)怎樣進(jìn)行發(fā)送，因而涉及位定時(shí)、位編碼和同步的描述。詳細(xì)層的功能參閱文獻(xiàn)。
1．3 CAN多點(diǎn)實(shí)時(shí)通信
    CAN是有效支持分布式(多點(diǎn))實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，在實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，用戶可以根據(jù)振蕩器時(shí)鐘頻率、總線波特率以及總線的最大傳輸距離等因素，對(duì)CAN控制器的位定時(shí)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，協(xié)調(diào)影響位定時(shí)設(shè)置的兩個(gè)主要因素：振蕩器容差和最大總線長(zhǎng)度，合理安排位周期中采樣點(diǎn)的位置和采樣次數(shù)，保證總線上位流的有效同步的同時(shí)，優(yōu)化系統(tǒng)的通信性能，進(jìn)一步推進(jìn)CAN總線的應(yīng)用。

2 C8051 F040單片機(jī)
    Cygnal公司的51系列單片機(jī)C8051F040是集成在一塊芯片上的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)單片機(jī)，在一個(gè)芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制的智能節(jié)點(diǎn)所需要的幾乎所有模擬、數(shù)字外設(shè)以及其他功能部件，代表了目前8位單片機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。芯片上有1個(gè)12位多通道ADC，2個(gè)12位DAC，2個(gè)電壓比較器，1個(gè)電壓基準(zhǔn)，1個(gè)32 kB的Flash存儲(chǔ)器，與MCS-51指令集完全兼容的高速CIP-51內(nèi)核，峰值速度可達(dá)25 MI·s-1，并且還有硬件實(shí)現(xiàn)的UART串行接口、完全支持CAN2．0A和CAN2．0B的CAN控制器。

3 CAN多點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3．1 CAN多點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
    設(shè)計(jì)的CAN多點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)由一臺(tái)電腦，兩塊基于C8051F040單片機(jī)開(kāi)發(fā)板組成。結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

    在這個(gè)系統(tǒng)中，電腦作為主機(jī)，通過(guò)USB／CAN轉(zhuǎn)換器與CAN總線相連，使用軟件工具CANTools-V6．2進(jìn)行數(shù)據(jù)地發(fā)送、接收以及顯示。系統(tǒng)中兩個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)分別為開(kāi)發(fā)板1和開(kāi)發(fā)板2，通過(guò)編譯相應(yīng)的程序，使得CAN節(jié)點(diǎn)能實(shí)時(shí)把數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)，主機(jī)可根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)向CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)出控制信號(hào)來(lái)改變CAN節(jié)點(diǎn)回發(fā)的數(shù)據(jù)，以此達(dá)到實(shí)時(shí)通信控制的目的。同時(shí)兩個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)之間也能互相進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并把所接收到的數(shù)據(jù)顯示在開(kāi)發(fā)板的LCD屏上。
3．2 軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)分為兩大部分：(1)主程序的設(shè)計(jì)。(2)CAN通信庫(kù)函數(shù)程序的編寫(xiě)。
    主程序主要涉及的是程序流程，包括調(diào)用初始化函數(shù)，打開(kāi)中斷，根據(jù)與主機(jī)通信還是與其他節(jié)點(diǎn)通信調(diào)用CAN通信庫(kù)函數(shù)編寫(xiě)出相應(yīng)的通信流程，流程圖如圖3所示。

    CAN通信庫(kù)函數(shù)主要包括：系統(tǒng)初始化函數(shù)、CAN初始化函數(shù)、CAN中斷服務(wù)函數(shù)、CAN接收數(shù)據(jù)函數(shù)和CAN發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)。
    這里詳細(xì)講述CAN通信庫(kù)函數(shù)中，CAN接收數(shù)據(jù)函數(shù)、CAN發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)和CAN中斷服務(wù)函數(shù)。
    CAN接收數(shù)據(jù)函數(shù)和發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)的流程圖，如圖4所示。

    CAN中斷服務(wù)函數(shù)程序流程圖，如圖5所示。

4 結(jié)束語(yǔ)
    系統(tǒng)可以完成各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間以及節(jié)點(diǎn)與主機(jī)之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收發(fā)，基本完成了多點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信任務(wù)，能做到速度快、延遲低、錯(cuò)誤率低、穩(wěn)定性高，并且能夠在電腦上直觀地看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)示波器測(cè)得該系統(tǒng)完成一次通信需要10．8μs，能滿足工業(yè)上實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求，這說(shuō)明基于C8051F040的CAN多點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信的可能性，且因?yàn)槠涠喙?jié)點(diǎn)設(shè)備接入簡(jiǎn)易，使其在遠(yuǎn)程工業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控上有較好的前景。缺點(diǎn)在于節(jié)點(diǎn)的數(shù)量不夠多，節(jié)點(diǎn)之間的距離不夠遠(yuǎn)，沒(méi)有測(cè)試出多點(diǎn)通信的節(jié)點(diǎn)數(shù)量上限和實(shí)時(shí)通信距離上限。