摘 要： 設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線的PC機(jī)與單片機(jī)多點(diǎn)通信系統(tǒng)。系統(tǒng)包括PC機(jī),、STC89S52單片機(jī),、CAN接口控制器、串行收發(fā)器等,。介紹了USB轉(zhuǎn)CAN通信接口的通信節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案,，給出了各通信節(jié)點(diǎn)的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行了系統(tǒng)通信實(shí)驗(yàn),，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有可靠性高,、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞： CAN總線,；單片機(jī),；多點(diǎn)通信
0 引言
傳統(tǒng)的單片機(jī)串口通信中大多采用RS232或RS485串口，因其傳輸速率和距離（小于1.5 km）的限制,，已漸漸不能滿足用戶系統(tǒng)需求,，而CAN總線因其卓越的性能，被廣泛應(yīng)用到汽車(chē)工業(yè),、自動(dòng)控制,、樓宇自動(dòng)化、醫(yī)學(xué)設(shè)備等各個(gè)領(lǐng)域[1],。CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)）屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇,，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò),，是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一[2-3],。CAN可以組建多主對(duì)等的總線通信系統(tǒng)；具有非破壞性總線仲裁技術(shù),，讓優(yōu)先級(jí)高的信息得到更快速的處理,；具有強(qiáng)大的錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制，可以檢測(cè)到總線上的任何錯(cuò)誤,；采用短幀結(jié)構(gòu),、位填充和CRC校驗(yàn)等措施，使傳輸具有高可靠性,。這些優(yōu)點(diǎn)使得CAN總線特別適用于工業(yè)過(guò)程監(jiān)控設(shè)備的互聯(lián),。在所有的CAN轉(zhuǎn)接口中，USB速度快,，即插即用,，使用更加廣泛，采用USB轉(zhuǎn)CAN總線實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)的通信具有一定的研究與應(yīng)用意義[4],。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,，硬件電路主要包括USB轉(zhuǎn)CAN通信接口以及各個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)由CAN收發(fā)器TJA1050,、CAN控制器SJA1000和單片機(jī)STC89S52組成,，CAN總線兩端應(yīng)串接120 ?贅的電阻，該電阻對(duì)于匹配總線阻抗起著重要作用,。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能為：PC機(jī)通過(guò)USB轉(zhuǎn)CAN通信接口向CAN總線發(fā)送一幀CAN總線數(shù)據(jù),，相應(yīng)節(jié)點(diǎn)在接收到CAN消息后，存儲(chǔ)在SJA1000的接收緩沖區(qū)中,，并向單片機(jī)發(fā)送中斷信號(hào),，單片機(jī)在中斷子程序中讀取SJA1000接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，當(dāng)需要向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),，先由單片機(jī)將一幀CAN消息寫(xiě)入到SJA1000的發(fā)送緩沖區(qū),，再將其發(fā)送到CAN總線上，PC機(jī)調(diào)用接收子函數(shù)以實(shí)現(xiàn)CAN消息的接收,。
1.2 USB轉(zhuǎn)CAN模塊硬件設(shè)計(jì)
該部分硬件框圖如圖2所示,。此部分對(duì)應(yīng)于圖1中的USB轉(zhuǎn)CAN通信接口模塊。USB控制芯片采用CP2102,，該芯片是一種高度集成的USB轉(zhuǎn)UART橋接器,，包含USB2.0全速功能控制器，符合USB2.0規(guī)范的要求,。USB收發(fā)器內(nèi)含512 B接收緩沖器和512 B發(fā)送緩沖器,，振蕩器和帶有全部的調(diào)制解調(diào)器控制信號(hào)的異步串行數(shù)據(jù)總線，CP2102內(nèi)置有與計(jì)算機(jī)通信的USB協(xié)議,，PC機(jī)通過(guò)USB控制芯片CP2102向單片機(jī)發(fā)送CAN消息,，再由單片機(jī)通過(guò)SJA1000將數(shù)據(jù)送到CAN總線上,。所提供的COM口器件驅(qū)動(dòng)器允許一個(gè)基于CP2102的產(chǎn)品作為PC機(jī)的一個(gè)COM口使用，可以像操作通用串行口的控制方式來(lái)使用這個(gè)COM口,。
1.3 CAN模塊節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
CAN節(jié)點(diǎn)的通信核心芯片為CAN控制器和CAN驅(qū)動(dòng)收發(fā)器,，各節(jié)點(diǎn)電路圖如圖3所示。CAN控制器SJA1000是一種獨(dú)立控制器,，是PHILIPS半導(dǎo)體PCA82C200 CAN控制器（BasicCAN）的替代品,，而且它增加了一種新的工作模式（PeliCAN），這種模式支持具有很多新特性的CAN2.0B協(xié)議[5-6],。TJA1050 符合ISO 11898標(biāo)準(zhǔn),，協(xié)議控制器通過(guò)一條串行數(shù)據(jù)輸出線TxD和一條串行數(shù)據(jù)輸入線RxD連接到收發(fā)器，而收發(fā)器則通過(guò)它的兩個(gè)有差動(dòng)接收和發(fā)送能力的總線終端CANH和CANL連接到總線線路,。它的引腳S用于模式控制,，參考輸出電壓Vef提供一個(gè)Vcc/2的額定輸出電壓，這個(gè)電壓是作為帶有模擬Rx輸入的CAN控制器的參考電平,。由于SJA1000具有數(shù)字輸入,，因此它不需要這個(gè)電壓。收發(fā)器使用5 V的額定電源電壓,。
微處理器采用STC公司生產(chǎn)的STC89S52,，它是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器,，具有8 KB Flash,，512 B RAM，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,，4個(gè)外部中斷[7],。
CAN控制器的CS片選端連接到單片機(jī)的通用I/O口上，由圖3可知SJA1000基址SJA_BaseAdr即為0x7F00,，數(shù)據(jù)端AD0~AD7連接到單片機(jī)的P0.0~P0.7以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換,，SJA1000的INT是終端信號(hào)輸出端，在中斷允許的情況下,，有中斷發(fā)生時(shí),，INT出現(xiàn)由高電平到低電平的跳變，因此此腳與單片機(jī)的外部中斷輸入腳INT0相連,，從而使單片機(jī)可通過(guò)外部中斷的方式訪問(wèn)SJA1000,。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2.1 各節(jié)點(diǎn)單片機(jī)控制程序
單片機(jī)主函數(shù)流程如圖4所示。
這里單片機(jī)主要完成CAN控制器SJA1000的初始化,，初始化程序中需要設(shè)置時(shí)鐘分頻寄存器,、驗(yàn)收代碼寄存器、驗(yàn)收定時(shí)寄存器和總線定時(shí)寄存器，以及數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送,。首先,，微處理器關(guān)閉SJA1000的中斷，然后寫(xiě)SJA1000的模式寄存器,，將模式寄存器中的RM位置1，進(jìn)入復(fù)位模式,，接下來(lái)在時(shí)鐘寄存器里確定使用BasicCAN模式還是PeliCAN模式,，本系統(tǒng)采用了PeliCAN模式，驗(yàn)收代碼寄存器和驗(yàn)收屏蔽寄存器的設(shè)置決定了各個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址,，在通信過(guò)程中起到重要作用,，可以讓單片機(jī)選擇性地接收響應(yīng)節(jié)點(diǎn)CAN消息，通信波特率在總線定時(shí)寄存器BTR0和BTR1中進(jìn)行設(shè)置,，輸出寄存器配置輸出位流的電平驅(qū)動(dòng)形式,，通過(guò)中斷寄存器IR和中斷使能寄存器IER設(shè)置正確的中斷模式以實(shí)現(xiàn)CAN數(shù)據(jù)的正確收發(fā)處理，最后將模式寄存器RM位請(qǐng)求清0,，進(jìn)入工作模式,。初始化程序的流程圖如圖5所示，關(guān)鍵部分程序如下：
EA=0,；//關(guān)總中斷
BCAN_ENTER_RETMODEL（）,；//進(jìn)入復(fù)位模式
BCAN_CREATE_COMMUNATION（）；//接口檢測(cè)
BCAN_SET_OUTCLK（0x88）,；//Pelican模式
BCAN_SET_OBJECT（0x01,，0x01，0x00,，0x20,，0xff，0xff,，0x00,，0x00）；//驗(yàn)收碼和屏蔽碼
BCAN_SET_BANDRATE（ByteRate_125k）,；//設(shè)置波特率
REG_OCR=0x1a,；//設(shè)置輸出控制寄存器
REG_INTENABLE=0x1D；//設(shè)置中斷,，接收
BCAN_SET_CONTROL（0x08）,；
SJA=REG_CONTROL；
*SJA=*SJA&0xfe,；
if（*SJA!=0x00）
return 0,；//退出復(fù)位模式
發(fā)送過(guò)程單片機(jī)將要發(fā)送的數(shù)據(jù)以CAN協(xié)議規(guī)定的幀格式構(gòu)成數(shù)據(jù)幀，存入SJA1000的發(fā)送緩沖區(qū)，然后寫(xiě)發(fā)送命令,，在把數(shù)據(jù)寫(xiě)入發(fā)送緩沖區(qū)前,，先判斷SJA1000的工作狀態(tài)，再?zèng)Q定是否發(fā)送,，其發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀的過(guò)程如圖6所示,，發(fā)送數(shù)據(jù)子程序如下：
Void SendMessage（unsigned char CAN_TX_data，unsigned char length1）
loop：
SJA=REG_STATUS,；
temptt=*SJA,；
if（（temptt&0x04）==0x00）goto loop；//循環(huán)檢測(cè)等待
{
SJA=REG_RXBuffer1,；//發(fā)送緩沖區(qū)1
*SJA=length1,；
*SJA=CAN_TX_data；
BCAN_CMD_PRG（TR_CMD）,；//請(qǐng)求發(fā)送
}
接收數(shù)據(jù)采用接收中斷方式,，單片機(jī)在中斷程序中從數(shù)據(jù)口讀取CAN消息，具有較高的實(shí)時(shí)性,，接收數(shù)據(jù)子程序如下：
void ex0_int（void）interrupt 0 using 1
{
unsigned char tt,，tt1，length,，i,；
SJA=REG_INTERRUPT；
if（（*SJA）&0x01）//產(chǎn)生接收中斷
{
SJA=REG_RXBuffer1,；
tt=*SJA,；
tt1=*SJA；
length=tt1&0x0F,；
if （（tt&0x40）!=0x40）
//將幀格式設(shè)置為數(shù)據(jù)幀
{
SJA=REG_RXBuffer4,；
memcpy（RevceData，SJA_BCANAdr,，length）,；
//將接收到的數(shù)據(jù)存入RevceData數(shù)組中
}
BCAN_CMD_PRG（RRB_CMD）；
//釋放SJA1000接收緩沖區(qū)
}
}
2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
上位機(jī)軟件基于C++語(yǔ)言,，采用Windows API函數(shù)實(shí)現(xiàn)串口通信,，API函數(shù)在通信任務(wù)較復(fù)雜的系統(tǒng)中具有優(yōu)勢(shì)，適合多線程編程,，且通信穩(wěn)定,，串口的打開(kāi)、關(guān)閉,、讀取和寫(xiě)入所用的函數(shù)與操作文件的函數(shù)完全一致,。通過(guò)調(diào)用CreateFile（）函數(shù)打開(kāi)串口,，CreateFile（）函數(shù)會(huì)返回一個(gè)句柄，在隨后的寫(xiě)串口操作中,，只需在WriteFile（）函數(shù)中設(shè)置相應(yīng)的入口參數(shù),，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成CAN消息格式并打包發(fā)送即可。讀串口操作則是通過(guò)ReadFile（）函數(shù)實(shí)現(xiàn),，對(duì)接收到的CAN消息數(shù)據(jù)包解包后提取出數(shù)據(jù)段,，其上位機(jī)軟件工作流程如圖7所示，其中發(fā)送子程序關(guān)鍵部分程序如下：
CAN_msg msg,；//CAN消息結(jié)構(gòu)體,，
//結(jié)構(gòu)體成員包括CAN數(shù)據(jù)地址及類型等
CAN.SendCANMessage（&msg）；//發(fā)送CAN消息,，
SendCANMessage（）函數(shù)定義如下：其中pMsg為CAN消息數(shù)據(jù)包，dwTimeout為超時(shí)時(shí)間,，如果發(fā)送錯(cuò)誤,，系統(tǒng)將返回錯(cuò)誤信息。
CAN_ERROR RT_CAN：：
SendCANMessage（CAN_msg*pMsg,，DWORD dwTimeout）
{
if（pMsg==NULL）return CAN_ERR_PARAM,；
if（pMsg->ch==CAN_CONFIG_CHANNEL）
return CAN_ERR_CHANNEL；
if（WritePackage（（BYTE*）pMsg,，sizeof（CAN_msg）,，dwTimeout）==0）
return CAN_ERR_TRANS；
return CAN_OK,；
}
接收子程序關(guān)鍵部分如下：
RecvCANMessage（CAN_msg*pMsg,，DWORD dwTimeout）
{
if（pMsg==NULL）
return CAN_ERR_PARAM；
if（WAIT_TIMEOUT==WaitForSingleObject（m_hRecvMsgEvnet,，dwTimeout））
return CAN_ERR_TIMEOUT,；
*pMsg=m_CANRecvMsg；
return CAN_OK,；
}
在數(shù)據(jù)發(fā)送或接收完畢后,，調(diào)用CloseHandle（）函數(shù)關(guān)閉串口。上位機(jī)整體界面設(shè)計(jì)如圖8所示,。
3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)
為驗(yàn)證系統(tǒng)通信的可靠性和穩(wěn)定性,，實(shí)驗(yàn)中擬將一幀CAN消息設(shè)置為ID：01（十六進(jìn)制），消息長(zhǎng)度為8,，采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀傳輸一個(gè)十六進(jìn)制數(shù)據(jù),，下位機(jī)采用數(shù)碼管顯示的方式來(lái)判斷數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。當(dāng)下位機(jī)接收到消息后,，將會(huì)把此消息重新返回給上位機(jī),。經(jīng)過(guò)幾次反復(fù)實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)通信穩(wěn)定、可靠,。
4 結(jié)束語(yǔ)
由于CAN總線通信可靠,、性能穩(wěn)定，具有易開(kāi)發(fā)和低成本等特點(diǎn),，近年來(lái)在自動(dòng)控制等很多領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,。在一些復(fù)雜系統(tǒng)中，不可避免地存在多點(diǎn)通信的情況,。本文設(shè)計(jì)的基于CAN總線的PC機(jī)與單片機(jī)多點(diǎn)通信系統(tǒng),，在所有的CAN轉(zhuǎn)接口中，通過(guò)USB連接到CAN總線,，簡(jiǎn)化了硬件接口,，提高了開(kāi)發(fā)效率，具有很好的應(yīng)用前景,。
參考文獻(xiàn)
[1] 李真花,，崔健.CAN總線輕松入門(mén)與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.
[2] 劉維弋,，金遠(yuǎn)平.基于CAN總線的通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,，2007，17（12）：207-209.
[3] 楊春杰,，王曙光,，亢紅波.CAN總線技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.
[4] 張念淮.USB總線接口開(kāi)發(fā)指南[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,，2001.
[5] 孫兵,，何瑾，陳廣廈.基于DSP的CAN總線與以太網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)研制[J].儀器儀表學(xué)報(bào),，2008,，29（2）：377-380.
[6] 王平，江華麗,，何花.基于單片機(jī)的CAN總線通訊應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù),，2009，32（9）：131-135.
[7] 郭天祥.新概念51單片機(jī)C語(yǔ)言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社,，2009.