基于C8051的CAN多點實時數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

摘要 針對工業(yè)上對于多個設(shè)備實時監(jiān)控的高速率、低延遲、錯誤率低、穩(wěn)定性高的要求，基于C8051系列單片機(jī)設(shè)計了CAN多點實時數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用CAN通信獨有的非破壞性總線仲裁和報文濾波技術(shù)，使得多設(shè)備與主機(jī)、多設(shè)備之間的通信變得流暢，接入方式簡易。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)通信速度快、錯誤率低、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)上對于多個設(shè)備的實時監(jiān)控。
關(guān)鍵詞 CAN總線；CAN協(xié)議；多點實時數(shù)據(jù)通信；C8051F040

    現(xiàn)場總線是用于過程自動化和制造自動化最底層的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表互連的通信網(wǎng)絡(luò)，是現(xiàn)場通信、計算機(jī)技術(shù)和控制系統(tǒng)的集成。它在生產(chǎn)現(xiàn)場的測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信、完成測量控制任務(wù)；是一種開放型的網(wǎng)絡(luò)，使測控裝置隨現(xiàn)場設(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、樓宇等處的自動化系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。
    CAN是Controller Area Net的縮寫，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控制的串行通信網(wǎng)路。CAN是德國Bosh公司為汽車的檢測、控制系統(tǒng)而設(shè)計的。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)過程監(jiān)控設(shè)備互連。CAN已經(jīng)成為一種國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO-11898)，是最具前途的現(xiàn)場總線之一。

1 控制器局域網(wǎng)(CAN)
1．1 CAN總線的特點
    (1)CAN總線以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(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，且無需考慮接收者地址的優(yōu)先級。
    (2)CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點信息分不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實時要求，高優(yōu)先級的數(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)多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級比較低的節(jié)點會主動退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間。
    (4)CAN只需通過報文濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無需專門的“調(diào)度”。
    (5)CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km，此時速率5 kbit·s-1；通信速率最高可達(dá)1 Mbit·s-1，此時通信距離最長為40 m。
    (6)CAN的節(jié)點數(shù)主要取決于總線驅(qū)動電路，目前可達(dá)110個；報文標(biāo)識符可達(dá)2 032種(CAN2．0A)；而擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)(CAN2．0B)的報文標(biāo)識符幾乎不受限制。
    (7)采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，受干擾概率低，具有良好的檢錯效果。
    (8)CAN的每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)出錯率極低。
    (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)點在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動關(guān)閉輸出的功能，這是總線上其他節(jié)點的操作不受影響。
    正因為CAN總線具有以上這些特點，所以能較好地滿足多點實時數(shù)據(jù)通信平臺的要求。
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)訪問控制子層。物理層可分為物理信號層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)請求提供服務(wù)，確認(rèn)由LLC子層接收的報文是否已被接收，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、錯誤檢測、出錯標(biāo)定和故障界定。MAC子層也要確定何時開始一次新的發(fā)送，總線是否開放或者是否馬上開始接收。定位時特性也是MAC子層的一部分。
    物理層定義了信號怎樣進(jìn)行發(fā)送，因而涉及位定時、位編碼和同步的描述。詳細(xì)層的功能參閱文獻(xiàn)。
1．3 CAN多點實時通信
    CAN是有效支持分布式(多點)實時控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，在實際的系統(tǒng)設(shè)計中，用戶可以根據(jù)振蕩器時鐘頻率、總線波特率以及總線的最大傳輸距離等因素，對CAN控制器的位定時參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，協(xié)調(diào)影響位定時設(shè)置的兩個主要因素：振蕩器容差和最大總線長度，合理安排位周期中采樣點的位置和采樣次數(shù)，保證總線上位流的有效同步的同時，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系統(tǒng)級單片機(jī)，在一個芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制的智能節(jié)點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12位多通道ADC，2個12位DAC，2個電壓比較器，1個電壓基準(zhǔn)，1個32 kB的Flash存儲器，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多點實時數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)設(shè)計
3．1 CAN多點實時數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
    設(shè)計的CAN多點實時數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)由一臺電腦，兩塊基于C8051F040單片機(jī)開發(fā)板組成。結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

    在這個系統(tǒng)中，電腦作為主機(jī)，通過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CAN節(jié)點分別為開發(fā)板1和開發(fā)板2，通過編譯相應(yīng)的程序，使得CAN節(jié)點能實時把數(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)點發(fā)出控制信號來改變CAN節(jié)點回發(fā)的數(shù)據(jù)，以此達(dá)到實時通信控制的目的。同時兩個CAN節(jié)點之間也能互相進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并把所接收到的數(shù)據(jù)顯示在開發(fā)板的LCD屏上。
3．2 軟件設(shè)計
    軟件設(shè)計分為兩大部分：(1)主程序的設(shè)計。(2)CAN通信庫函數(shù)程序的編寫。
    主程序主要涉及的是程序流程，包括調(diào)用初始化函數(shù)，打開中斷，根據(jù)與主機(jī)通信還是與其他節(jié)點通信調(diào)用CAN通信庫函數(shù)編寫出相應(yīng)的通信流程，流程圖如圖3所示。

    CAN通信庫函數(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
    系統(tǒng)可以完成各個節(jié)點之間以及節(jié)點與主機(jī)之間的實時數(shù)據(jù)收發(fā)，基本完成了多點實時數(shù)據(jù)通信任務(wù)，能做到速度快、延遲低、錯誤率低、穩(wěn)定性高，并且能夠在電腦上直觀地看到實驗結(jié)果。通過示波器測得該系統(tǒng)完成一次通信需要10．8μs，能滿足工業(yè)上實時監(jiān)控的要求，這說明基于C8051F040的CAN多點實時數(shù)據(jù)通信的可能性，且因為其多節(jié)點設(shè)備接入簡易，使其在遠(yuǎn)程工業(yè)實時監(jiān)控上有較好的前景。缺點在于節(jié)點的數(shù)量不夠多，節(jié)點之間的距離不夠遠(yuǎn)，沒有測試出多點通信的節(jié)點數(shù)量上限和實時通信距離上限。