CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)智能節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)

張春林，趙 麗

(1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春 130033;2.長春職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長春 130033)

0 引言

CAN總線是一種分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，許多的著名汽車制造廠、農(nóng)用機(jī)械、數(shù)控機(jī)床、機(jī)械工業(yè)、機(jī)器人、紡織工業(yè)、醫(yī)療器械及傳感器等領(lǐng)域都采用CAN總線來實(shí)現(xiàn)總控制系統(tǒng)與各檢測(cè)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信。由于采用了許多新技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，CAN總線是唯一被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織批準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線，可實(shí)時(shí)、可靠、靈活進(jìn)行數(shù)據(jù)通信［1］。

1 CAN總線通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

CAN總線通信系統(tǒng)由CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、轉(zhuǎn)發(fā)器節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)構(gòu)成［2］。節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)上信息的接收站和發(fā)送站，由于總線收發(fā)器物理信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力的限制，在一個(gè)CAN總線的網(wǎng)絡(luò)上，最多可掛接110個(gè)節(jié)點(diǎn)。所有智能節(jié)點(diǎn)由CAN總線連接成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系，實(shí)現(xiàn)基本的控制功能。

2 CAN總線智能節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

2.1 微處理器與總線控制器的接口電路設(shè)計(jì)

CAN控制器SJA1000與微處理器的接口電路如圖1所示。采用STC89C51作為系統(tǒng)中的CAN總線智能節(jié)點(diǎn)的微處理器。STC系列單片機(jī)是美國STC公司最新推出的一種新型51內(nèi)核的單片機(jī)，是新一代超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗的單片機(jī)［3］。

CAN總線控制器選用SJA1000，因其引腳和電氣參數(shù)與 CAN控制器PCA82C200兼容，能夠較好完成CAN總線通信。SJA1000具有兩種工作模式:BasicCAN模式和PeliCAN模式，有擴(kuò)展的接收緩沖器64字節(jié)，先進(jìn)先出(FIFO)，支持CAN2.0A和CAN2.0B協(xié)議，支持11位和29位標(biāo)識(shí)碼，通信速率可達(dá)1Mbps，最大24MHz時(shí)鐘頻率，可與不同的微處理器接口，可編程的CAN輸出驅(qū)動(dòng)器配置，溫度適應(yīng)范圍大(-40～+125℃)。

因此將SJA1000的8位數(shù)據(jù)線連接到STC89C51的P0口，CS連接到 STC89C51的 P2.7，P2.7低電平有效，可選中SJA1000。SJA1000的RD、WR、ALE、分別與STC89C51的讀、寫和地址鎖存控制引腳相連，進(jìn)而對(duì)SJA1000執(zhí)行相應(yīng)的讀/寫操作。

復(fù)位引腳連接到 STC89C51的 P2.2，SJA1000的復(fù)位過程可由單片機(jī)控制。SJA1000的 INT接STC89C51的中斷引腳 INT0，單片機(jī)可通過中斷方式訪問 SJA1000。VDD1、VDD2和 VDD3是輸入比較器5V電源的輸入端，VSS1、VSS2和VSS3是輸入比較器的接地端。X1和X2兩個(gè)引腳外接16M晶振。

2.2 CAN總線收發(fā)器和控制器接口電路設(shè)計(jì)

圖1 CAN控制器SJA1000與微處理器的接口電路

CAN總線收發(fā)器采用PCA 82C250。PCA82C250是CAN控制器與物理總線之間的接口，它最初是為在汽車中提供高速信號(hào)通信而設(shè)計(jì)的，82C250采用雙線差分驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)部具有限流電路，可以防止發(fā)送輸出級(jí)對(duì)電源、地及負(fù)載短路。

為了保護(hù)MCU不受CAN總線上的干擾信號(hào)影響，在總線收發(fā)器與SJA1000中引入高速光電耦合器6N137進(jìn)行系統(tǒng)隔離，如圖2所示，這樣的連接使兩端的電路較為獨(dú)立的工作，互不干擾，也能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離，增強(qiáng)了CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，降低誤碼率，減少出錯(cuò)重發(fā)的次數(shù)。為防止雷擊，起過壓保護(hù)的作用，PCA82C250的總線與地之間均反接一個(gè)保護(hù)二極管，兩根總線分別并聯(lián)了2個(gè)30pF的電容，可以抗高頻干擾和抑制電磁輻射。其中R12和R13為兩個(gè)120Ω的電阻，起到限流和保護(hù)作用。

圖2 CAN總線收發(fā)器與總線控制器的接口電路

6N137是一款高速光耦合器，是輸入輸出之間的轉(zhuǎn)換裝置。作為一款線性接收裝置，它突破了傳統(tǒng)線性裝置對(duì)環(huán)境的限制，更適應(yīng)于噪聲環(huán)境。

兩個(gè)6N137的輸入端IN+分別接總線控制器和收發(fā)器的電源正極，5腳分別接電源地，IN-端接輸入信號(hào)，當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，受光器能夠接受到光線并產(chǎn)生光電流，從而在輸出端產(chǎn)生一定的電壓，實(shí)現(xiàn)了“電-光-電”轉(zhuǎn)換，起到了電氣隔離的作用。在輸出端與地之間接入15pF的電容來濾波。

3 CAN總線智能節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

3.1 SJA1000初始化程序設(shè)計(jì)

上電后，單片機(jī)先進(jìn)行上電復(fù)位操作，之后對(duì)相關(guān)的寄存器進(jìn)行初始化設(shè)置。SJA1000只有工作在復(fù)位模式才能進(jìn)行寄存器的狀態(tài)設(shè)置，在設(shè)置之前，必須首先對(duì)復(fù)位模式標(biāo)識(shí)進(jìn)行設(shè)置，在這之前，要先關(guān)閉SJA1000的中斷源，之后再進(jìn)行相關(guān)寄存器的設(shè)置，其流程圖如圖3所示。

3.2 SJA1000報(bào)文發(fā)送子程序

可采用中斷方式或查詢的方式發(fā)送報(bào)文。在本系統(tǒng)中，采用查詢方式發(fā)送報(bào)文。發(fā)送時(shí)首先查詢一下上次報(bào)文是否發(fā)送完成，完成后判斷發(fā)送緩沖區(qū)是否鎖定，解鎖后將報(bào)文寫入SJA1000的發(fā)送緩沖器，再啟動(dòng)發(fā)送命令，之后CAN控制器自動(dòng)完成報(bào)文的發(fā)送。

3.3 SJA1000報(bào)文接收子程序

這里單片機(jī)采用外部中斷0來接收?qǐng)?bào)文。這里采用外部中斷電平觸發(fā)的方式，在 SJA1000中，當(dāng)一個(gè)報(bào)文被無誤地接收后，SJA1000便會(huì)向單片機(jī)發(fā)送一個(gè)低電平中斷信號(hào)，請(qǐng)求單片機(jī)接收?qǐng)?bào)文，單片機(jī)則會(huì)在該中斷信號(hào)下產(chǎn)生一個(gè)INT0中斷。

進(jìn)入中斷程序后，單片機(jī)首先判斷其中斷類型是否為接收中斷，其次判斷是否為合法中斷，如果是接收中斷，并且為合法中斷，系統(tǒng)將檢測(cè)該報(bào)文是否有效，如有效則進(jìn)行報(bào)文接收［4］。系統(tǒng)將接收的報(bào)文暫時(shí)存儲(chǔ)在單片機(jī)的存儲(chǔ)單元中，接收后重新開放中斷。

圖3 SJA1000初始化程序流程圖

4 結(jié)語

本文主要介紹了CAN總線智能節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)，采用單片機(jī)STC89C51作為微控制器，配合SJA1000獨(dú)立CAN總線控制器組成下位機(jī)實(shí)時(shí)通信的智能節(jié)點(diǎn)，保證了CAN總線網(wǎng)絡(luò)工作穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性;系統(tǒng)進(jìn)行了光電隔離，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。該系統(tǒng)能夠應(yīng)用在醫(yī)療、汽車、農(nóng)業(yè)、工廠等許多場(chǎng)合，應(yīng)用范圍廣，推廣價(jià)值高。

［1］莫莉，張葉茂.基于CAN總線的嵌入式監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］.輕工科技，2012(4):82-83.

［2］賈筱瑩，高沁翔.無功與諧波補(bǔ)償裝置CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)［J］.電力通信系統(tǒng)，2005，26(9):44-46.

［3］肖林京，張瑞雪，常龍，等.基于CAN總線的礦用新能源電機(jī)車通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)［J］.測(cè)控技術(shù)，2013，32(5):64-66.

［4］祝敏.基于CAN總線的大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2010(1):57-60.