基于C8051F040單片機(jī)的CAN總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：本設(shè)計(jì)是基于帶有CAN控制器的C8031F040單片機(jī)的CAN總線的數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)，通過USB口，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。CAN節(jié)點(diǎn)是基于C8051F040單片機(jī)設(shè)計(jì)而成的溫度采集系統(tǒng)并且可以接收上位機(jī)傳來的數(shù)據(jù)。上位機(jī)軟件是基于VB語言設(shè)計(jì)而成的與CAN節(jié)點(diǎn)交互的接口，主要實(shí)現(xiàn)了接收溫度數(shù)據(jù)并通過圖表實(shí)時(shí)顯示，與發(fā)送數(shù)據(jù)到CAN節(jié)點(diǎn)的功能。本設(shè)計(jì)對于研究扣了解CAN多節(jié)點(diǎn)間的通信爭控制的應(yīng)用有著重要的意義。
關(guān)鍵詞：CAN總線；CAN-USB；設(shè)計(jì)

0 引言
    隨著20世紀(jì)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(yīng)用在汽車領(lǐng)域，在汽車控制系統(tǒng)中應(yīng)用CAN總線可以使硬件方案的軟件化實(shí)現(xiàn)，大大地簡化了設(shè)計(jì)，減小了硬件成本和設(shè)計(jì)生產(chǎn)成本，數(shù)據(jù)共享減少了數(shù)據(jù)的重復(fù)處理，節(jié)省了成本，可以將信號(hào)線減到最少，減少布線，使成本進(jìn)一步降低等優(yōu)點(diǎn)。由于CAN總線通信的高性能、高可靠性、及獨(dú)特的設(shè)計(jì)和適宜的價(jià)格可以廣泛應(yīng)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(lǐng)域，所以被公認(rèn)為是幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    CAN總線系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括上位機(jī)控制軟件、USB-CAN轉(zhuǎn)換模塊、CAN節(jié)點(diǎn)、CAN總線介質(zhì)(本處采用雙絞線)組成。其中一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)通過USB接口與PC機(jī)相連，上位機(jī)控制軟件能實(shí)時(shí)顯示各CAN節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)且能通過上位機(jī)軟件向各個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)以控制各節(jié)點(diǎn)的8個(gè)發(fā)光二極管的亮或滅。

2 系統(tǒng)硬件電路
    本系統(tǒng)由單片機(jī)外圍電路、CAN總線硬件電路和USB-CAN轉(zhuǎn)換電路組成。單片機(jī)外圍電路包括電源電路模塊、復(fù)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(dòng)器電路。USB-CAN轉(zhuǎn)換電路包括CH375與單片機(jī)接口電路模塊和USB接口電路模塊。
    C8051F040單片機(jī)內(nèi)部的控制器局域網(wǎng)(CAN)控制器是一個(gè)協(xié)議控制器，不提供物理層驅(qū)動(dòng)器(即收發(fā)器)，需要外部重新接入物理層驅(qū)動(dòng)器。本處采用TJ1050，TJA1050是控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，是一種標(biāo)準(zhǔn)的高速CAN收發(fā)器。TJA1050可以為總線提供差動(dòng)發(fā)送性能，為CAN控制器提供差動(dòng)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(shè)計(jì)
    (1)總線阻抗匹配CAN總線的末端必須連接2個(gè)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(shí)的可靠性和抗干擾性，甚至有可能導(dǎo)致無法通信。
    (2)在TJA1050的CANH、CANI。端與地之間并聯(lián)2個(gè)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(gè)5 Ω的電阻，以限制電流，保護(hù)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(gè)100 nF的去耦合電容，以降低干擾。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括CAN通信程序和CAN-USB轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)。此外為了采集CAN節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并發(fā)送到上位機(jī)顯示，還加入了采集單片機(jī)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(diǎn)的CAN數(shù)據(jù)傳輸，既能向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，又能接收其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)以控制相應(yīng)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(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)并打包成CAN協(xié)議相應(yīng)的數(shù)據(jù)，又能將CAN協(xié)議數(shù)據(jù)發(fā)到上位機(jī)。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(jìn)行AD轉(zhuǎn)換并轉(zhuǎn)換成實(shí)際的溫度。
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(yīng)CAN控制發(fā)來的中斷請求，主要完成數(shù)據(jù)的接收工作。

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

4 系統(tǒng)與上位機(jī)交互結(jié)果
    圖6是正在采集中的上位機(jī)軟件運(yùn)行情況，圖中2個(gè)曲線有一段大的上升和下降是因?yàn)榘咽种阜诺絻蓚€(gè)CAN節(jié)點(diǎn)的單片機(jī)上時(shí)造成了溫度的上升，當(dāng)放開手后，溫度又逐漸回落。

    點(diǎn)擊設(shè)置按鈕則右上角的窗口有效，此時(shí)可以設(shè)置采樣時(shí)間，該采樣時(shí)間表示多長時(shí)間向下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包。左邊實(shí)時(shí)顯示各節(jié)點(diǎn)當(dāng)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(diǎn)1發(fā)送15，向節(jié)點(diǎn)2發(fā)送170。

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