基于STC89C51的CAN總線點(diǎn)對點(diǎn)通信模塊設(shè)計

摘要：隨著人們對總線對總線各方面要求的不斷提高，總線上的系統(tǒng)數(shù)量越來越多，繼而出現(xiàn)電路的復(fù)雜性提高、可靠性下降、成本增加等問題。為解決上述問題，文中闡述了基于SJAl000的CAN總線通信模塊的實現(xiàn)方法，該方法以PCA82C250作為通信模塊的總線收發(fā)器，以SITA-l000作為網(wǎng)絡(luò)控制器。并以STCSTC89C5l單片機(jī)來完成基于STC89C5l的CAN通信硬件設(shè)計。文章還就平臺的初始化、模塊的發(fā)送和接收進(jìn)行了設(shè)計和分析。通過測試分析證明，該系統(tǒng)可以達(dá)到CAN的通信要求，整個系統(tǒng)具有較高的實用性。
關(guān)鍵詞：CAN總線；SJAl000；82C250；STC89C51

O 引言
    現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)最底層的一種總線型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，是可用做現(xiàn)場控制系統(tǒng)直接與所有受控設(shè)備節(jié)點(diǎn)串行相連的通信網(wǎng)絡(luò)。在工業(yè)自動化方面，其控制的現(xiàn)場范圍可以從一臺家電設(shè)備到一個車間、一個工廠。一般情況下，受控設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)所處的環(huán)境可能很特殊，對信號的干擾往往也是多方面的。但要求控制則必須實時性很強(qiáng)，這就決定了現(xiàn)場總線有別于一般的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)。此外，由于現(xiàn)場總線的設(shè)備通常是標(biāo)準(zhǔn)化和功能模塊化，因而還具有設(shè)計簡單、易于重構(gòu)等特點(diǎn)。

1 CAN總線概述
    CAN (Controller Area Network)即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，最初是由德國Bosch公司為汽車檢測和控制系統(tǒng)而設(shè)計的。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、實時性和靈活性。其良好的性能及獨(dú)特的設(shè)計，使CAN總線越來越受到人們的重視。由于CAN總線本身的特點(diǎn)，其應(yīng)用范圍目前已不再局限于汽車行業(yè)，而向自動控制、航空航天、航海、過程工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、紡織機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械及傳感器等領(lǐng)域發(fā)展。目前，CAN已經(jīng)形成國際標(biāo)準(zhǔn)，并已被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。它的直線通信距離最大可以達(dá)到l Mbps／30m．其它的節(jié)點(diǎn)數(shù)目取決于總線驅(qū)動電路，目前可以達(dá)到110個。

2 CAN系統(tǒng)硬件設(shè)計
    圖l所示是基于CAN2．0B協(xié)議的CAN系統(tǒng)硬件框圖，該系統(tǒng)包括電源模塊、MCU部分、CAN控制器、光電耦合器、CAN收發(fā)器和RS232接口。硬件系統(tǒng)MCU采用STC89C5l，CAN控制器采用SJAl000，CAN收發(fā)器采用PCA82C250，光耦隔離采用6N137。

    圖l中的CAN控制器SJAl000是CAN控制器(BasicCAN)PCA82C200的替代產(chǎn)品，它增加了一種新的操作模式(PeliCAN)，這種模式可以支持很多新特性的CAN2．OB協(xié)議。微處理器STC89C5l在一定的模式下可對SJAl000中的寄存器進(jìn)行讀寫操作，以控制SJAl000進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。
    CAN收發(fā)器PCA82C250是CAN控制器與物理總線之間的接口。它最初是為汽車中的高速應(yīng)用(lMbps)而設(shè)計的。該器件可以提供對總線的差
動發(fā)送和接收功能。它采用雙線差分驅(qū)動方式，有助于抑制汽車等惡劣電氣環(huán)境下的瞬變干擾。PCA82C250可對SJAl000傳來的TTL電平和CAN總線差動信號進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，而且可使總線具有較好的EMC特性。
    光耦隔離器可對總線上各個CAN節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電氣隔離，以增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，減少系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的相互影響。
2．1 CAN控制器硬件電路的設(shè)計
    將SJAl000的ADO～AD7連接到STC89C5l的P0口，CS連接到STC89C5l的P20，這樣，當(dāng)P20為O時，CPU片外存儲器地址即可選中SJAl000，CPU
則通過這些地址對SJAl000執(zhí)行相應(yīng)的讀寫操作。設(shè)計時，可將SJAl000的RD、WR、ALE分別和STC89C5l的對應(yīng)引腳相連，INT接STC89C51的IN-T0，這樣，CPU可以通過中斷方式來訪問SJAl000。其連接電路圖如圖2所示。

2．2 光電耦合器的設(shè)計
    為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，SJAl000的TX0和RX0并不直接和收發(fā)器PCA82C250的TXD和RXD相連，而是通過高速光耦6N137后再和PCA82C250相連，這樣就可以很好的實現(xiàn)各CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。應(yīng)當(dāng)注意的是光耦部分采用的電源VCC和VDD最好完全隔離，可以用小功率的電源隔離模塊來實現(xiàn)，這樣就可以提高節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性。其電路圖如圖3所示。

2．3 CAN收發(fā)器的設(shè)計
    PCA82C250是一種差分收發(fā)器，它可完成TTL電平到差分信號的轉(zhuǎn)換。它的CANH和CANL引腳各自通過一個5 Ω的電阻和CAN總線相連，該電阻可以起到一定的限流作用，可保護(hù)PCA82C250免受過流的沖擊。而CANH和CANL與地并聯(lián)了兩個30pF的小電容?？梢赃^濾總線上的高頻干擾并具有一定的防電磁輻射能力。PCA82C250的RS腳上應(yīng)接一個斜率電阻，電阻大小可根據(jù)總線通信速度適當(dāng)調(diào)節(jié)，一般可在16～140 kΩ之間，這里選用47 kΩ電阻。圖4所示是收發(fā)器的電路圖。

2．4 總體電路分析
    由于本設(shè)計將SJAl000的AD0～AD7和STC89C5l的P0口相連，CS連接到P20口，ALE、WE、RD分別與單片機(jī)的對應(yīng)各口相連，因此，SJAl000就相當(dāng)于單片機(jī)的外部存儲器。訪問SJAl000的寄存器就相當(dāng)于對外部寄存器地址進(jìn)行讀寫操作。SJAl000的MODE接高電平，采用的是intel二分頻模式，TXO和RX0通過高速光耦器件6N137與CAN收發(fā)器82C250連接，PCA82C250的TXD和RXD引腳分別接發(fā)送和接收驅(qū)動信號，然后通過CANH和CANL接至物理總線傳輸介質(zhì)上，這個介質(zhì)可以是光纖或雙膠線等。

3 CAN系統(tǒng)軟件設(shè)計
    STC89C51的軟件設(shè)計由MCU初始化、SJAl000初始化、SJAl000的接收發(fā)送和數(shù)據(jù)顯示模塊等構(gòu)成。其系統(tǒng)軟件設(shè)計圖如圖5所示。

3．1 SJAl000初始化軟件設(shè)計
   SJAl000的初始化程序設(shè)計主要是通過對SJAl000的寄存器寫入相應(yīng)的控制字，從而確定SJAl000的工作方式。在對SJAl000的寄存器寫入控制字時，要在SJAl000的復(fù)位模式下采用軟件復(fù)位模式。其初始化流程圖如圖6所示。

3．2 SJAl000數(shù)據(jù)發(fā)送軟件設(shè)計
    報文的發(fā)送通常是由CAN控制器根據(jù)CAN協(xié)議規(guī)范自動完成的。首先由CPU將要發(fā)送的報文傳送到發(fā)送緩沖器中，并置位命令寄存器中的發(fā)送請求標(biāo)志。其發(fā)送流程圖如圖7所示。

3．3 SJAl000接收數(shù)據(jù)軟件設(shè)計
    CPU以一定的周期讀取CAN控制器的狀態(tài)寄存器，從而檢查接收緩沖區(qū)的轉(zhuǎn)臺標(biāo)志，指示是否至少接收到一個報文。當(dāng)接收緩沖區(qū)狀態(tài)標(biāo)志指示為“空”時，表示沒有接收到報文；在沒有新的檢查接收緩沖區(qū)狀態(tài)的要求前，CPU則繼續(xù)當(dāng)前的任務(wù)。
    當(dāng)接收緩沖區(qū)狀態(tài)標(biāo)志為滿的時候，即表明已接收一個或者多個報文。此時CPU將從CAN控制器取出第一個報文，并置位命令寄存器中的釋放接收緩沖區(qū)標(biāo)志。其接收流程圖如圖8所示。

4 測試
    將兩個CAN系統(tǒng)模塊掛接在CAN總線上，相當(dāng)于構(gòu)成CAN總線上兩個節(jié)點(diǎn)，這樣就可以點(diǎn)對點(diǎn)地發(fā)送數(shù)據(jù)，其測試方法就是在當(dāng)其中一個節(jié)點(diǎn)的按鍵按下時，除了自身的數(shù)碼管1、2顯示加一外，總線上另一節(jié)點(diǎn)接收到該數(shù)據(jù)后，它的數(shù)碼管3、4也做加一操作，即與發(fā)送端節(jié)點(diǎn)的數(shù)碼管1、2同步顯示。這樣就可以測試CAN總線的點(diǎn)對點(diǎn)的通信。

5 結(jié)束語
    通過此系統(tǒng)可以較好地完成CAN節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，且正確率高，速度快。若加以擴(kuò)張，再增加節(jié)點(diǎn)，其通信原理與上述相同。此外，也可以加上串口，這樣就可以實現(xiàn)下位機(jī)的多點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，上位機(jī)實現(xiàn)顯示和控制。因此，本文設(shè)計在實踐中如果加以擴(kuò)張，會有很好的價值。