如何設(shè)計(jì)基于AT89C51型單片機(jī)的CAN總線智能節(jié)點(diǎn)？

1 引言

CAN(Controller Area Network)是控制器局域網(wǎng)，主要用于各種設(shè)備檢測(cè)及控制的現(xiàn)場(chǎng)總線。CAN總線是德國(guó)BOSCH公司20世紀(jì)80年代初為解決汽車中眾多控制與測(cè)試儀器間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。這是一種多主總線，無(wú)論是在高速網(wǎng)絡(luò)還是在低成本的節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，應(yīng)用都很廣泛。由于采用了許多新技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，其主要特點(diǎn)如下：

●通信方式靈活，可以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可以在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，不分主從。

●CAN節(jié)點(diǎn)只需對(duì)報(bào)文的標(biāo)識(shí)符濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，其節(jié)點(diǎn)可分成不同的優(yōu)先級(jí)，節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)可通過(guò)報(bào)文標(biāo)識(shí)符進(jìn)行設(shè)置，優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)最多可在134μs內(nèi)傳輸，可以滿足不同的實(shí)時(shí)要求。

●CAN總線通信格式采用短幀格式，每幀字節(jié)數(shù)量多為8個(gè)字節(jié)，可滿足一般工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測(cè)試數(shù)據(jù)的要求，同時(shí)，8個(gè)字節(jié)不會(huì)占用總線時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，保證了通信的實(shí)時(shí)性。

●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)送信息出現(xiàn)沖突時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)退出數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，大大節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間，在網(wǎng)絡(luò)重載的情況下也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

●直接通信距離最大可達(dá)10 km (速率在5 kb/s以下)，最高通信速率可達(dá)1 Mb/s (此時(shí)距離最長(zhǎng)為40 m);節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個(gè),通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。

●CAN總線采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證數(shù)據(jù)通信的可靠性，其節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能,使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。

2 CAN總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于CAN總線采用多主方式工作,所以具有與DCS(分布式控制系統(tǒng))不一樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)和智能節(jié)點(diǎn)組成,如圖1所示。該系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是所有的節(jié)點(diǎn)都能以平等的地位掛接在總線上。1個(gè)總線節(jié)點(diǎn)通常至少包括3部分：控制節(jié)點(diǎn)任務(wù)的單片機(jī)、總線控制器及總線驅(qū)動(dòng)器。本文主要介紹CAN總線智能節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。智能節(jié)點(diǎn)由89C5l型單片機(jī)、SJA1000型總線控制器、82C250型總線驅(qū)動(dòng)器及PC構(gòu)成。在實(shí)際應(yīng)用中可以連接不同的傳感器件，完成數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

筆者設(shè)計(jì)的CAN總線系統(tǒng)智能節(jié)點(diǎn)采用Intel公司的AT89C51型單片機(jī)作為節(jié)點(diǎn)的微處理器。AT89C51具有64KB的尋址空間。本身不帶CAN控制器,所以要實(shí)現(xiàn)與CAN總線之間的通信需外加CAN控制器和CAN驅(qū)動(dòng)器。在本設(shè)計(jì)中采用SJAl000型CAN總線通信控制器和AT82C250型總線驅(qū)動(dòng)器。

CAN總線系統(tǒng)智能節(jié)點(diǎn)硬件電路如圖2所示。從圖2可以看出，硬件電路主要由AT89C51、SJAl000、AT82C250、6N137型高速光電耦合器和MAX202型電平轉(zhuǎn)換器件組成。AT89C51負(fù)責(zé)SJAl000的初始化，控制SJAl000實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務(wù)。MAX202用于TTL電平與RS232電平的相互轉(zhuǎn)換，可以將接收的數(shù)據(jù)顯示在PC上。SJAl000的ADO-AD7連接到AT89C51的P0口，CS連接到AT89C51的P2.7。P2.7為0時(shí)，CPU片外存儲(chǔ)器地址可選中SJA1000，CPU通過(guò)這些地址可對(duì)SJAl000執(zhí)行相應(yīng)的讀/寫操作。

SJAl000的RD、WR、ALE分別與AT89C51的相應(yīng)引腳相連，SJAl000的INT接AT89C51的INTl，AT89C51也可通過(guò)中斷方式訪問(wèn)SJA1000。

為了增強(qiáng)總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，SJAl000的TX0和RX0并不直接與82C250的TXD和RXD相接,而是通過(guò)6N137與AT82C250相接，這樣，很好地實(shí)現(xiàn)了總線上各節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。不過(guò)，光耦電路用的2個(gè)電源VCC和VDD必須隔離。電源的完全隔離可采用小功率電源隔離模塊實(shí)現(xiàn)。這雖然增加了接口電路的復(fù)雜性，但卻提高了節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性。

AT82C250與總線的接口也采取了一定的安全和抗干擾措施。

AT82C250的CANH引腳和CANL引腳各自通過(guò)1只5 Ω的電阻器與總線相連，電阻器可起到一定的限流作用，保護(hù)AT82C250免受過(guò)電流沖擊。CANH和CANL與地之間并聯(lián)了2只30pF的小電容器，可以濾除總線上的高頻干擾并具有一定的防電磁輻射能力。另外,在2條CAN總線輸入端與地之間分別接了1個(gè)防雷擊管，當(dāng)2個(gè)輸入端與地之間出現(xiàn)瞬變干擾時(shí)，防雷擊管的放電起到一定的保護(hù)作用。AT82C250的RS引腳接1只斜率電阻器,其阻值的大小可根據(jù)總線通信速度適當(dāng)調(diào)整,一般在16 kΩ~140 kΩ之間。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 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(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)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。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(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)定為不同的優(yōu)先級(jí)，并以標(biāo)識(shí)符ID標(biāo)定，其值越小，優(yōu)先級(jí)越高?？偩€的節(jié)點(diǎn)之間可以進(jìn)行實(shí)時(shí)相互通信，當(dāng)1個(gè)節(jié)點(diǎn)需要接收另1個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)時(shí)，只需把其代碼寄存器的內(nèi)容設(shè)置成和另1節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)符一致即可。如果對(duì)于標(biāo)識(shí)符和其代碼寄存器的內(nèi)容設(shè)置不一致，則節(jié)點(diǎn)所發(fā)的數(shù)據(jù)不予理會(huì)。

4.2 SJAl000的工作模式設(shè)置

SJAl000有二種工作模式：復(fù)位模式和工作模式。在復(fù)位模式下可對(duì)接收代碼、接收屏蔽、總線時(shí)序寄存器O和1及輸出控制寄存器進(jìn)行設(shè)置。一般在CAN初始化時(shí)完成對(duì)以上寄存器的設(shè)置，當(dāng)CAN進(jìn)入工作模式后，它們的值就不再變化。在工作模式下可進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。特別要注意的是：當(dāng)硬件復(fù)位或控制器掉線時(shí)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入復(fù)位模式，這樣就不能進(jìn)行正常的CAN通信，這就要求對(duì)復(fù)位位進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)發(fā)生硬件復(fù)位或控制器掉線而進(jìn)入復(fù)位模式時(shí)，要求把復(fù)位位置為0并進(jìn)入工作模式，這樣CAN就能進(jìn)行正常發(fā)送和接收。

4.3 基于C語(yǔ)言的軟件編程

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)思想是系統(tǒng)上電后首先對(duì)AT89C51和SJAl000進(jìn)行初始化，以確定工作主頻、波特率、輸出特性等。其中任一智能節(jié)點(diǎn)可以利用查詢方式通過(guò)SJAl000從CAN總線上獲取所需的數(shù)據(jù)并把該數(shù)據(jù)傳送到PC上顯示，同時(shí)可以向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)以供其他智能節(jié)點(diǎn)接收顯示。以下是具體實(shí)現(xiàn)程序。

以上就是進(jìn)行試驗(yàn)的程序，其中reg51.h是為AT89C52主控制器專門編寫的庫(kù)函數(shù)，它在Keil軟件中是現(xiàn)成的，只要用#include語(yǔ)句包括進(jìn)來(lái)即可;intrins.h是為以后調(diào)用空函數(shù)_nop_()作準(zhǔn)備，它里面包括了類似于匯編語(yǔ)言的NOP語(yǔ)句;CAN_TOUWENJIAN.h是頭文件，用于對(duì)相關(guān)寄存器的定義。Tx_DATA_CAN()函數(shù)用于向總線發(fā)送數(shù)據(jù),REC_DATA_CAN()函數(shù)用于從總線接收數(shù)據(jù)，SERIAL()用于PC與智能節(jié)點(diǎn)間的相互通信。限于篇幅,發(fā)送子程序和接收子程序沒(méi)有具體給出。[!--empirenews.page--]

5 結(jié)束語(yǔ)

在CAN總線的開(kāi)發(fā)試驗(yàn)過(guò)程中，筆者掌握了CAN總線智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，并在實(shí)踐中進(jìn)行了應(yīng)用。通過(guò)應(yīng)用證明，CAN總線具有以下優(yōu)點(diǎn)：組網(wǎng)自由，擴(kuò)展性強(qiáng);自動(dòng)錯(cuò)誤界定，簡(jiǎn)化了通信的操作;可根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容確定優(yōu)先權(quán)，解決通信的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。此外，CAN網(wǎng)絡(luò)已在眾多工業(yè)控制系統(tǒng)中應(yīng)用，尤其在傳輸速率較高而且對(duì)實(shí)時(shí)性及可靠性要求高的場(chǎng)合，CAN總線將有廣闊的應(yīng)用前景。本文來(lái)源于《某型控制系統(tǒng)信號(hào)信息傳輸改進(jìn)研究》課題組，組長(zhǎng)是劉永鴻教授，副組長(zhǎng)是張文宏副教授，主要參與者有黃晨副教授、趙勇講師、李金剛研究生。