韓成浩，高曉紅

（1. 吉林建筑工程學(xué)院 電氣與電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130021；2. 吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

0 引言

1986年德國(guó)最大的工業(yè)企業(yè)之一Rober Bosch公司首次提出了應(yīng)用于汽車內(nèi)各種傳感器和執(zhí)行器之間相互通信的CAN總線（Controller Area Network）技術(shù)以來(lái)，以其可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性強(qiáng)的特點(diǎn)，得到了諸多汽車開(kāi)發(fā)商的青睞。本文介紹了CAN總線的通信協(xié)議，分析了CAN總線控制器SJA1000和驅(qū)動(dòng)器PCA82C250的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，主要闡述了CAN總線技術(shù)在智能小區(qū)門禁控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 CAN總線的特點(diǎn)

1.1 CAN總線的位數(shù)值表示與通信距離

CAN總線協(xié)議是建立在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織的開(kāi)放系統(tǒng)OSI 7層互連參考模型基礎(chǔ)之上的。其模型結(jié)構(gòu)只有3層，即只取OSI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈層和應(yīng)用層，保證了節(jié)點(diǎn)間無(wú)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)傳輸。

CAN總線上用“顯性”（Dominant）和“隱性”(Recessive)兩個(gè)互補(bǔ)的邏輯值表示“0”和“1”。如圖1所示，VCNA-H和VCAN-L為CAN總線收發(fā)器與總線之間的兩接口引腳，信號(hào)是以兩線之間的“差分”電壓形式出現(xiàn)。在隱性狀態(tài)，VCNA-H和VCANL被固定在平均電壓電平附近，Vdiff近似于0。顯性位以大于最小閥值的差分電壓表示[1]。CAN總線的通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10Km(位速率為5 kbps) ，通信速率最快可達(dá)1Mbps（此時(shí)最長(zhǎng)通信距離為40m）。

圖1 CAN總線的位數(shù)值傳輸方式

1.2 報(bào)文傳輸

CAN技術(shù)的報(bào)文傳輸為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從。CAN節(jié)點(diǎn)只需通過(guò)對(duì)報(bào)文的標(biāo)示符濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式發(fā)送、接收數(shù)據(jù)。

CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸（報(bào)文傳輸）采用幀格式。按幀格式的不同，分為含有11位標(biāo)識(shí)符的標(biāo)準(zhǔn)幀和含有29位標(biāo)識(shí)符的擴(kuò)展幀。CAN總線的幀類型分為數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀和過(guò)載幀。

1.3 仲裁（Arbitration）

只要總線空閑，任何單元都可以開(kāi)始發(fā)送報(bào)文。如果兩個(gè)或兩個(gè)以上節(jié)點(diǎn)同時(shí)開(kāi)始傳送報(bào)文，那么就會(huì)有總線訪問(wèn)沖突。通過(guò)使用標(biāo)識(shí)符的逐位仲裁可以解決這個(gè)沖突。仲裁的機(jī)制確保了報(bào)文和時(shí)間均不損失。當(dāng)具有相同標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀同時(shí)發(fā)送時(shí)，數(shù)據(jù)幀優(yōu)先于遠(yuǎn)程幀[2]。在仲裁期間，每一個(gè)發(fā)送器都對(duì)總線進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如果發(fā)送和接收電平相同，則該節(jié)點(diǎn)可以繼續(xù)發(fā)送報(bào)文。比如發(fā)送的是一“隱性”電平，而監(jiān)視到的是一“顯性”電平，那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)就失去了仲裁，必須退出發(fā)送狀態(tài)。

2 CAN總線控制器和驅(qū)動(dòng)器

2.1 CAN總線控制器SJA1000的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

CAN總線控制器主要保證數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的通信質(zhì)量。SJA1000是一種獨(dú)立的CAN總線控制器。SJA1000的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 SJA1000內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

各功能模塊的作用如下：

接口管理邏輯（IML）負(fù)責(zé)解釋來(lái)自CPU的命令，控制CAN寄存器的尋址，向主控制器（CPU）提供中斷信息和狀態(tài)信息。發(fā)送緩沖器（TXB）是CPU和位流處理器（BSP）之間的接口，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)發(fā)送到CAN總線上的一條完整的報(bào)文。發(fā)送緩沖器的長(zhǎng)度為13個(gè)字節(jié)，由CPU寫入、位流處理器讀出。

接收緩沖器（RXB、長(zhǎng)度為13個(gè)字節(jié)）是驗(yàn)收濾波器和CPU之間的接口，用來(lái)存儲(chǔ)從CAN總線上接收并被確認(rèn)的信息。作為接收FIFO（RXFIFO，長(zhǎng)度為64字節(jié)）的一個(gè)窗口，接收緩沖器可被CPU訪問(wèn)。CPU在接收FIFO的支持下，可以在處理一條報(bào)文的同時(shí)接收其他報(bào)文。

驗(yàn)收濾波器（ACF）將一條接收到的報(bào)文標(biāo)識(shí)碼與驗(yàn)收濾波器中的預(yù)設(shè)值相比較，以決定是否接收這條報(bào)文[3]。在純粹的接收測(cè)試中，所有的報(bào)文都保存在接收FIFO中，但只有驗(yàn)收濾波通過(guò)且無(wú)差錯(cuò)的報(bào)文，才能被保存在接收緩沖器中。

位流處理器（BSP）是一個(gè)控制發(fā)送緩沖器、接收FIFO和CAN總線之間數(shù)據(jù)流的程序裝置。它還執(zhí)行總線上的錯(cuò)誤檢測(cè)、仲載、總線填充和錯(cuò)誤處理。位時(shí)序邏輯（BTL）監(jiān)視串行的CAN總線和位時(shí)序。它在信息開(kāi)頭“弱勢(shì)支配”的總線傳輸時(shí)，同步CAN總線位流（硬同步），接收?qǐng)?bào)文時(shí)再次同步下一次傳送（軟同步）。

錯(cuò)誤管理邏輯（EML）負(fù)責(zé)限制傳輸層模塊的錯(cuò)誤。它接收來(lái)自位流處理器的出錯(cuò)報(bào)告，然后把有關(guān)錯(cuò)誤統(tǒng)計(jì)告訴位流處理器和接口管理邏輯（IML）。

2.2 SJA1000的內(nèi)部寄存器

SJA1000有兩種工作模式，即BasicCAN模式和PeliCAN模式。在這兩種模式中，SJA1000寄存器從數(shù)量、地址分配到功能等方面都有所區(qū)別。SJA1000在復(fù)位狀態(tài)下的默認(rèn)模式為BasicCAN模式。CAN控制器在兩種模式中又都有兩種狀態(tài)模式，分別稱為操作模式和復(fù)位模式。處在這兩種不同狀態(tài)的模式中，對(duì)寄存器的訪問(wèn)操作功能是不同的。

SJA1000的控制寄存器、命令寄存器、狀態(tài)寄存器、發(fā)送緩沖器（均為8位）等各種寄存器分配在0～31地址單元中。設(shè)置各寄存器中的參數(shù)可實(shí)現(xiàn)不同的操作功能[4]。

2.3 CAN總線驅(qū)動(dòng)器PCA82C250

總線驅(qū)動(dòng)器PCA82C250是CAN控制器與物理總線之間的接口。該器件對(duì)總線提供了差動(dòng)發(fā)送能力，同時(shí)對(duì)CAN控制器提供了差動(dòng)接收能力。它可以用高達(dá)1Mbps的位速率在兩條有差動(dòng)電壓的總線上傳輸數(shù)據(jù)，總線可連接110個(gè)節(jié)點(diǎn)。總線驅(qū)動(dòng)器PCA82C250的功能參如圖3所示。

圖3 PCA82C250的功能框圖

圖3中，引腳8（Rs）用于選定PCA82C250的工作模式。PCA82C250的工作模式有3種，即高速模式、斜率控制模式和待機(jī)模式。對(duì)于高速工作模式，發(fā)送器的輸出級(jí)晶體管盡可能快速啟動(dòng)和關(guān)閉。在這種模式下，不采取任何措施限制上升和下降的斜率。采用斜率控制模式（Slope Control），可降低射頻干擾。

3 CAN總線技術(shù)應(yīng)用設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

利用CAN總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了智能小區(qū)單元門禁控制器和小區(qū)保安部門之間數(shù)據(jù)的快速、準(zhǔn)確傳遞，提高了小區(qū)智能化管理水平。圖4為小區(qū)單元門禁控制器的CAN總線通信部分電路。值得注意的是控制器AT89S52為高電平復(fù)位，而SJA1000為低電平復(fù)位。

為了增強(qiáng)CAN總線各節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，SJA1000的TX0、RX0和PCA82C250之間設(shè)置光電耦合器TLP521-2（即圖4中的U3），實(shí)現(xiàn)了CAN 總線上各用戶之間的電氣隔離。同時(shí)，兩根總線與地之間分別接了一個(gè)防雷擊管P6KE6.8，當(dāng)兩輸入端與地之間出現(xiàn)瞬變干擾時(shí)，通過(guò)防雷擊管的放電可起到一定的保護(hù)作用[5]。

另外，PCA82C250的CANH和CANL之間接120?阻抗匹配電阻是非常必要，否則會(huì)影響總線的數(shù)據(jù)傳輸距離和傳輸質(zhì)量。

3.2 CAN總線的軟件設(shè)計(jì)

CAN總線技術(shù)的軟件設(shè)計(jì)主要包括：CAN總線控制器的初始化、報(bào)文發(fā)送和報(bào)文接收。SJA1000總線控制器的初始化對(duì)CAN總線的正常工作非常重要。SJA1000的初始化只有在復(fù)位模式下才能進(jìn)行，初始化的關(guān)鍵是設(shè)置SJA1000內(nèi)部寄存器的參數(shù)。其包括：設(shè)置工作方式、設(shè)置接收濾波方式，設(shè)置接收屏蔽寄存器（AMR）和接收代碼寄存器（ACR）、設(shè)置波特率參數(shù)和中斷允許寄存器（IER）等。在完成SJA1000的初始化設(shè)置以后，返回工作狀態(tài)，進(jìn)行報(bào)文的發(fā)送和接收通信。圖5為SJA1000的初始化程序流程圖。

圖4 CAN總線硬件電路設(shè)計(jì)

圖5 SJA1000初始化程序流程

圖6 發(fā)送報(bào)文程序流程圖

發(fā)送報(bào)文子程序負(fù)責(zé)完成報(bào)文的發(fā)送。發(fā)送時(shí)用戶只需將待發(fā)送的報(bào)文按特定格式組合成一幀報(bào)文，送入SJA1000發(fā)送緩存區(qū)中，然后啟動(dòng)SJA1000的發(fā)送位，即可發(fā)送報(bào)文。以查詢方式發(fā)送報(bào)文的程序流程如圖6所示。

接收?qǐng)?bào)文子程序負(fù)責(zé)完成報(bào)文的接收以及其他情況處理。接收子程序比發(fā)送子程序要復(fù)雜一些，因?yàn)樵谔幚斫邮請(qǐng)?bào)文的過(guò)程中，同時(shí)要對(duì)總線關(guān)閉、錯(cuò)誤報(bào)警、接收溢出等情況進(jìn)行處理。圖7為以查詢方式接收?qǐng)?bào)文的程序流程圖。

4 結(jié)論

圖7 接收?qǐng)?bào)文程序流程圖

CAN 總線技術(shù)是較實(shí)用的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，該總線以CAN總線控制器和驅(qū)動(dòng)器為硬件基礎(chǔ)，采用了開(kāi)放式仲裁機(jī)制和“隱性”、“顯性”位信號(hào)差分通信方式，保證了報(bào)文傳輸?shù)目煽啃浴?zhǔn)確性、快速性和實(shí)時(shí)性。正因?yàn)槿绱?，?guó)外很多公司生產(chǎn)的控制芯片內(nèi)置CAN總線控制器（如：Philips公司生產(chǎn)的P8xC591、Atmel公司生產(chǎn)的AT90CAN128 等器件），方便了用戶的使用，縮短了開(kāi)發(fā)周期。

[1] 甘永梅,李慶豐等.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[2] 饒運(yùn)濤,鄒繼軍等.現(xiàn)場(chǎng)總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004.

[3] 姜幼卿,左國(guó)華等.基于CAN總線的溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)的通信設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器.2005(4):60-62.

[4] 鄔寬明.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用選編(1)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.

[5] 張毅剛.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京:高等教育出版社,2007.