基于C8051F040單片機的CAN總線系統(tǒng)設計

摘要：本設計是基于帶有CAN控制器的C8031F040單片機的CAN總線的數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)，通過USB口，實現(xiàn)了兩個CAN節(jié)點與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸。CAN節(jié)點是基于C8051F040單片機設計而成的溫度采集系統(tǒng)并且可以接收上位機傳來的數(shù)據(jù)。上位機軟件是基于VB語言設計而成的與CAN節(jié)點交互的接口，主要實現(xiàn)了接收溫度數(shù)據(jù)并通過圖表實時顯示，與發(fā)送數(shù)據(jù)到CAN節(jié)點的功能。本設計對于研究扣了解CAN多節(jié)點間的通信爭控制的應用有著重要的意義。
關(guān)鍵詞：CAN總線；CAN-USB；設計

0 引言
    隨著20世紀80年代初期德國Bosch公司提出CAN(Controller Area Network)總線，即控制器局域網(wǎng)方案以解決汽車控制裝置問的通信問題。經(jīng)過20多年的發(fā)展，CAN總線現(xiàn)在廣泛的應用在汽車領域，在汽車控制系統(tǒng)中應用CAN總線可以使硬件方案的軟件化實現(xiàn)，大大地簡化了設計，減小了硬件成本和設計生產(chǎn)成本，數(shù)據(jù)共享減少了數(shù)據(jù)的重復處理，節(jié)省了成本，可以將信號線減到最少，減少布線，使成本進一步降低等優(yōu)點。由于CAN總線通信的高性能、高可靠性、及獨特的設計和適宜的價格可以廣泛應用于工業(yè)現(xiàn)場控制、智能樓宇、醫(yī)療器械、交通工具以及傳感器等領域，所以被公認為是幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。

1 系統(tǒng)總體設計
    CAN總線系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括上位機控制軟件、USB-CAN轉(zhuǎn)換模塊、CAN節(jié)點、CAN總線介質(zhì)(本處采用雙絞線)組成。其中一個CAN節(jié)點通過USB接口與PC機相連，上位機控制軟件能實時顯示各CAN節(jié)點的數(shù)據(jù)且能通過上位機軟件向各個CAN節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)以控制各節(jié)點的8個發(fā)光二極管的亮或滅。

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2 系統(tǒng)硬件電路
    本系統(tǒng)由單片機外圍電路、CAN總線硬件電路和USB-CAN轉(zhuǎn)換電路組成。單片機外圍電路包括電源電路模塊、復位電路模塊、串口通信模塊。CAN總線硬件電路包括電氣隔離模塊、光耦隔離模塊、CAN驅(qū)動器電路。USB-CAN轉(zhuǎn)換電路包括CH375與單片機接口電路模塊和USB接口電路模塊。
    C8051F040單片機內(nèi)部的控制器局域網(wǎng)(CAN)控制器是一個協(xié)議控制器，不提供物理層驅(qū)動器(即收發(fā)器)，需要外部重新接入物理層驅(qū)動器。本處采用TJ1050，TJA1050是控制器區(qū)域網(wǎng)絡(CAN)協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，是一種標準的高速CAN收發(fā)器。TJA1050可以為總線提供差動發(fā)送性能，為CAN控制器提供差動接收性能。
    TJA1050是PCA82C250和PCA82C251高速CAN收發(fā)器的后繼產(chǎn)品。其功能框圖如圖2所示。

2．1 CAN總線抗干擾設計
    (1)總線阻抗匹配CAN總線的末端必須連接2個120 Ω的電阻，它們對總線阻抗匹配有著重要的作用，不可省略。否則，將大大降低總線數(shù)據(jù)通信時的可靠性和抗干擾性，甚至有可能導致無法通信。
    (2)在TJA1050的CANH、CANI。端與地之間并聯(lián)2個30 pF的小電容，以濾除總線上的高頻干擾，防止電磁輻射。
    (3)在TJA1050的CANH、CANL端與CAN總線之間各串聯(lián)1個5 Ω的電阻，以限制電流，保護TJA1050免受過流沖擊。
    (4)在TJA1050、TLP113等集成電路的電源端與地之間加入1個100 nF的去耦合電容，以降低干擾。

3 系統(tǒng)軟件設計
    系統(tǒng)軟件設計主要包括CAN通信程序和CAN-USB轉(zhuǎn)換程序設計。此外為了采集CAN節(jié)點的數(shù)據(jù)并發(fā)送到上位機顯示，還加入了采集單片機內(nèi)部溫度傳感器數(shù)據(jù)程序。CAN通信程序主要完成各節(jié)點的CAN數(shù)據(jù)傳輸，既能向其他節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，又能接收其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)以控制相應的LED的亮滅。CAN-USB轉(zhuǎn)換程序主要完成數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)，既能接收上位機發(fā)來的數(shù)據(jù)并打包成CAN協(xié)議相應的數(shù)據(jù)，又能將CAN協(xié)議數(shù)據(jù)發(fā)到上位機。溫度傳感器采集主要是對內(nèi)部的熱敏電阻上的電壓經(jīng)過ADC0進行AD轉(zhuǎn)換并轉(zhuǎn)換成實際的溫度。[!--empirenews.page--]
3．1 CAN通信程序流程圈
    如圖3所示，主要程序包括IO配置、晶振初始化、清除消息RAM、發(fā)送接收函數(shù)初始化和CAN初始化。

3．2 系統(tǒng)中斷處理程序流程圖
    系統(tǒng)中斷處理程序流程圖如圖4，該程序是響應CAN控制發(fā)來的中斷請求，主要完成數(shù)據(jù)的接收工作。

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3．3 USB-CAN轉(zhuǎn)換程序流程
    所有的通訊都由計算機應用層發(fā)起，然后以接收到單片機的應答結(jié)束，USB-CAN轉(zhuǎn)換詳細流程如圖5所示。

4 系統(tǒng)與上位機交互結(jié)果
    圖6是正在采集中的上位機軟件運行情況，圖中2個曲線有一段大的上升和下降是因為把手指放到兩個CAN節(jié)點的單片機上時造成了溫度的上升，當放開手后，溫度又逐漸回落。

    點擊設置按鈕則右上角的窗口有效，此時可以設置采樣時間，該采樣時間表示多長時間向下位機發(fā)送數(shù)據(jù)包。左邊實時顯示各節(jié)點當前的溫度值，右邊的曲線顯示溫度的變化情況。圖中還顯示了向節(jié)點1發(fā)送15，向節(jié)點2發(fā)送170。

5 結(jié)束語
    本文采用C8051HNO單片機作為CAN控制器，采用USB接口和上位機通信，實現(xiàn)了CAN總線的功能，并達到預期效果，體現(xiàn)了CAN總線的實用性。但USB接口芯片能達到全速模式，但是本處設計并未把它的傳播速率快這一特點體現(xiàn)出來，這將在以后的工作中日臻完善。