如何設計基于AT89C51型單片機的CAN總線智能節(jié)點？

1 引言

CAN(Controller Area Network)是控制器局域網(wǎng)，主要用于各種設備檢測及控制的現(xiàn)場總線。CAN總線是德國BOSCH公司20世紀80年代初為解決汽車中眾多控制與測試儀器間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。這是一種多主總線，無論是在高速網(wǎng)絡還是在低成本的節(jié)點系統(tǒng)，應用都很廣泛。由于采用了許多新技術及獨特的設計，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，其主要特點如下：

●通信方式靈活，可以多主方式工作，網(wǎng)絡上任意一個節(jié)點均可以在任意時刻主動向網(wǎng)絡上的其他節(jié)點發(fā)送信息，不分主從。

●CAN節(jié)點只需對報文的標識符濾波即可實現(xiàn)點對點、點對多點及全局廣播方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，其節(jié)點可分成不同的優(yōu)先級，節(jié)點的優(yōu)先級可通過報文標識符進行設置，優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)最多可在134μs內(nèi)傳輸，可以滿足不同的實時要求。

●CAN總線通信格式采用短幀格式，每幀字節(jié)數(shù)量多為8個字節(jié)，可滿足一般工業(yè)領域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的要求，同時，8個字節(jié)不會占用總線時間過長，保證了通信的實時性。

●采用非破壞性總線仲裁技術，當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息出現(xiàn)沖突時，優(yōu)先級低的節(jié)點會主動退出數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間，在網(wǎng)絡重載的情況下也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡癱瘓。

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

●CAN總線采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證數(shù)據(jù)通信的可靠性，其節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能,使總線上其他節(jié)點的操作不受影響。

2 CAN總線系統(tǒng)結構

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))不一樣的拓撲結構。其控制系統(tǒng)由計算機和智能節(jié)點組成,如圖1所示。該系統(tǒng)最大的特點是所有的節(jié)點都能以平等的地位掛接在總線上。1個總線節(jié)點通常至少包括3部分：控制節(jié)點任務的單片機、總線控制器及總線驅動器。本文主要介紹CAN總線智能節(jié)點的簡單設計。智能節(jié)點由89C5l型單片機、SJA1000型總線控制器、82C250型總線驅動器及PC構成。在實際應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 硬件電路設計

筆者設計的CAN總線系統(tǒng)智能節(jié)點采用Intel公司的AT89C51型單片機作為節(jié)點的微處理器。AT89C51具有64KB的尋址空間。本身不帶CAN控制器,所以要實現(xiàn)與CAN總線之間的通信需外加CAN控制器和CAN驅動器。在本設計中采用SJAl000型CAN總線通信控制器和AT82C250型總線驅動器。

CAN總線系統(tǒng)智能節(jié)點硬件電路如圖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型電平轉換器件組成。AT89C51負責SJAl000的初始化，控制SJAl000實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務。MAX202用于TTL電平與RS232電平的相互轉換，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，CPU片外存儲器地址可選中SJA1000，CPU通過這些地址可對SJAl000執(zhí)行相應的讀/寫操作。

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

為了增強總線節(jié)點的抗干擾能力，SJAl000的TX0和RX0并不直接與82C250的TXD和RXD相接,而是通過6N137與AT82C250相接，這樣，很好地實現(xiàn)了總線上各節(jié)點間的電氣隔離。不過，光耦電路用的2個電源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現(xiàn)。這雖然增加了接口電路的復雜性，但卻提高了節(jié)點的穩(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AT82C250免受過電流沖擊。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個防雷擊管，當2個輸入端與地之間出現(xiàn)瞬變干擾時，防雷擊管的放電起到一定的保護作用。AT82C250的RS引腳接1只斜率電阻器,其阻值的大小可根據(jù)總線通信速度適當調(diào)整,一般在16 kΩ~140 kΩ之間。

4 軟件設計

4.1 網(wǎng)絡通信規(guī)則

CAN總線為多主工作方式,網(wǎng)絡上任一節(jié)點均可在任意時刻主動向網(wǎng)絡上其他節(jié)點發(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，根據(jù)需要將各個節(jié)點設定為不同的優(yōu)先級，并以標識符ID標定，其值越小，優(yōu)先級越高?？偩€的節(jié)點之間可以進行實時相互通信，當1個節(jié)點需要接收另1個節(jié)點的數(shù)據(jù)時，只需把其代碼寄存器的內(nèi)容設置成和另1節(jié)點的標識符一致即可。如果對于標識符和其代碼寄存器的內(nèi)容設置不一致，則節(jié)點所發(fā)的數(shù)據(jù)不予理會。

4.2 SJAl000的工作模式設置

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

4.3 基于C語言的軟件編程

系統(tǒng)軟件的設計思想是系統(tǒng)上電后首先對AT89C51和SJAl000進行初始化，以確定工作主頻、波特率、輸出特性等。其中任一智能節(jié)點可以利用查詢方式通過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，同時可以向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)以供其他智能節(jié)點接收顯示。以下是具體實現(xiàn)程序。

以上就是進行試驗的程序，其中reg51.h是為AT89C52主控制器專門編寫的庫函數(shù)，它在Keil軟件中是現(xiàn)成的，只要用#include語句包括進來即可;intrins.h是為以后調(diào)用空函數(shù)_nop_()作準備，它里面包括了類似于匯編語言的NOP語句;CAN_TOUWENJIAN.h是頭文件，用于對相關寄存器的定義。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)點間的相互通信。限于篇幅,發(fā)送子程序和接收子程序沒有具體給出。[!--empirenews.page--]

5 結束語

在CAN總線的開發(fā)試驗過程中，筆者掌握了CAN總線智能節(jié)點的設計，并在實踐中進行了應用。通過應用證明，CAN總線具有以下優(yōu)點：組網(wǎng)自由，擴展性強;自動錯誤界定，簡化了通信的操作;可根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容確定優(yōu)先權，解決通信的實時性問題。此外，CAN網(wǎng)絡已在眾多工業(yè)控制系統(tǒng)中應用，尤其在傳輸速率較高而且對實時性及可靠性要求高的場合，CAN總線將有廣闊的應用前景。本文來源于《某型控制系統(tǒng)信號信息傳輸改進研究》課題組，組長是劉永鴻教授，副組長是張文宏副教授，主要參與者有黃晨副教授、趙勇講師、李金剛研究生。