苗曙光，李崢，方振國，李淮江

淮北師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，安徽淮北235000

0 引言

由于汽車工業(yè)和智能制造業(yè)的飛速發(fā)展，導(dǎo)致大量企業(yè)對CAN 總線人才的需求旺盛.CAN 是控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network，CAN)的簡稱，是由德國博世公司開發(fā)的，最初主要應(yīng)用在汽車上. 由于CAN 總線具有其他總線(如RS485、RS232)所無法比擬的優(yōu)點，使得其應(yīng)用非常廣泛. 目前，CAN 總線的應(yīng)用已經(jīng)不僅僅局限于汽車行業(yè)，而擴展到機械工程、紡織機械、農(nóng)用機械、機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療器械、家用家電以及智能傳感器等領(lǐng)域.CAN 總線已經(jīng)形成國際標(biāo)準(zhǔn)，它具有較高的性價比，被公認為最有前途的現(xiàn)場總線之一［1］.作為培養(yǎng)應(yīng)用型人才為主的電子信息工程等專業(yè)，單片機通信類實驗教學(xué)還主要停留在RS232 串口通信，但是RS232 存在傳輸距離短和抗干擾性差等缺點，不適合工業(yè)現(xiàn)場通信，難以滿足企業(yè)用人的需求［2］.另外很多高校缺少專門的CAN 總線實驗平臺，導(dǎo)致了CAN 總線實驗課程無法正常開設(shè)，學(xué)生的動手能力不足.本文基于高校CAN 總線實驗課程現(xiàn)狀，以51 單片機為基礎(chǔ)設(shè)計開發(fā)了一款口袋式的智能CAN 總線實驗平臺，為高校CAN 總線實驗教學(xué)提供保障.

1 CAN 總線實驗平臺設(shè)計

1.1 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)框圖

典型的CAN 總線系統(tǒng)實現(xiàn)方法，如圖1 所示.從圖中可以看出，CAN 總線節(jié)點主要由單片機控制器模塊、CAN 控制器模塊、CAN 收發(fā)器模塊和相關(guān)傳感器模塊組成，各個節(jié)點通過兩根CAN 信號線CANH 和CANL 并聯(lián)在一起，構(gòu)成一套完整的CAN 總線網(wǎng)絡(luò).

圖1 典型的CAN 總線系統(tǒng)框圖Fig.1 Diagram of typical CAN-bus system

1.2 CAN 控制器和收發(fā)器選型

常用的獨立CAN 控制器主要有SJA1000 和MCP2515，由于SJA1000 應(yīng)用較廣泛，內(nèi)部帶有FIFO 結(jié)構(gòu)，采用并行總線接口，速度較快，性能優(yōu)于MCP2515. SJA1000 芯片是Philips 半導(dǎo)體公司PCA82C200 CAN 控制器(BasicCAN)的替代品，而且還擴展了PeliCAN 模式，對CAN2.0B 協(xié)議也有很好的支持［3，4］，因此本文CAN 控制器選型為SJA1000.

CAN 收發(fā)器提供了CAN 控制器與物理總線之間橋梁，是影響網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、電磁兼容性和可靠性的主要因素，因此CAN 總線收發(fā)器在CAN 網(wǎng)絡(luò)中具有重要作用. 常用的CAN 收發(fā)器有PCA82C250 和TJA1050 等，它們都可以提供對總線的差動發(fā)送和接收功能，都遵從ISO11898 標(biāo)準(zhǔn)的高速CAN 總線驅(qū)動器，可以在汽車和工廠現(xiàn)場控制中使用.但是，TJA1050 除了具有PCA82C250 的主要特性以外，在很多方面還做了進一步優(yōu)化. TJA1050 的設(shè)計采用了最新的EMC 技術(shù)，它采用先進的絕緣硅(Silicon-on-Insulator，SoI)技術(shù)進行處理［5，6］，因此TJA1050 比PCA82C250 的抗電磁干擾性能提高了20 dB，本文的CAN 收發(fā)器選型為TJA1050.

圖2 CAN 總線節(jié)點設(shè)計Fig.2 CAN-bus node designp

1.3 CAN 總線節(jié)點設(shè)計

基于以上選型分析，本文以目前常用的STC89C52RC 型51 單片機為基礎(chǔ)，設(shè)計CAN 總線節(jié)點.節(jié)點原理框圖如圖2 所示，CAN 節(jié)點包括單片機控制模塊、SJA1000 總線控制器、TJA1050 總線收發(fā)器、供電模塊、顯示單元、外設(shè)接口模塊和CAN 信號線等.由于該節(jié)點是作為實驗室CAN 實驗平臺使用，所以沒有增加光耦隔離電路.

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

CAN 總線節(jié)點的軟件設(shè)計主要包括三大部分:CAN 初始化、CAN 數(shù)據(jù)發(fā)送和CAN 數(shù)據(jù)接收.

2.1 CAN 總線初始化

CAN 總線的初始化程序設(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［7］. 其初始化流程圖如圖3 所示.

2.2 CAN 數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

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.首先由單片機將要發(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［8］.其發(fā)送流程圖如圖4 所示.

圖3 CAN 總線初始化Fig.3 CAN-bus initialization

2.3 CAN 數(shù)據(jù)接收流程圖

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.此時單片機將從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［9］.其接收流程圖如圖5 所示.

3 實驗測試

3.1 CAN 點對點通信實驗

點對點測試框圖如下圖6 所示，其中一塊板設(shè)定為A 板，另外一塊板設(shè)定為B 板，CAN 總線波特率為125 Kbps. A 板通過按鍵發(fā)送0x01-0x0f 數(shù)據(jù)給B板，B板接收后在本地顯示，通過USB-CAN總線分析儀到計算機調(diào)試軟件界面顯示，結(jié)果如圖7 所示.

圖4 CAN 數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖Fig.4 Flowchartof CAN data transmission

圖5 CAN 數(shù)據(jù)接收流程圖Fig.5 Flowchart of CAN data receive

圖6 點對點測試框圖Fig.6 Diagram of point to point test

圖7 USB-CAN 分析儀接收到的CAN 報文Fig.7 CAN message received by USB-CAN analyzer

按照圖6 進行CAN 設(shè)備連接測試，通過USB-CAN 分析儀能夠收到數(shù)據(jù)長度為1，數(shù)據(jù)內(nèi)容為0x01-0x0f 的CAN 報文，與發(fā)送端發(fā)送的報文信息一致，測試結(jié)果如圖7 所示，表明本文設(shè)計的CAN 總線實驗平臺的能夠應(yīng)用于點對點通信實驗教學(xué).

3.2 CAN 采集溫濕度數(shù)據(jù)實驗

溫度采集網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下圖8 所示，其中三塊CAN 實驗板負責(zé)溫濕度采集(溫濕度傳感器為DHT11)，另外一塊板負責(zé)CAN232 協(xié)議轉(zhuǎn)換，所有節(jié)點并聯(lián)在一起，實現(xiàn)CAN 總線溫度采集到計算機端顯示的功能［10］.

圖8 溫濕度采集實驗框圖Fig.8 Diagram of temperature and humidity acquisition experiment

上位機軟件采用VB6.0 開發(fā)了一個CAN 總線溫濕度采集界面，通過PC 端采集到溫濕度數(shù)據(jù)如下圖9 所示.串口號選擇的是COM4，串口波特率是9 600 bps，CAN 總線波特率為125 Kbps.1 號節(jié)點采集到的濕度是34 %，溫度是25 攝氏度;2 號節(jié)點采集到的濕度是33 %，溫度是24 攝氏度;3 號節(jié)點作為僅做本地采集顯示，數(shù)碼管顯示濕度為33%，溫度為24攝氏度，軟件還可以顯示CAN協(xié)議格式對應(yīng)的數(shù)值. 由于在實驗室環(huán)境測試，節(jié)點間距離比較近，兩個節(jié)點的溫濕度值比較接近，通過和標(biāo)準(zhǔn)溫濕度計比較，誤差在比較小，能夠滿足基本的應(yīng)用需求.

4 結(jié)束語

本文以單片機為基礎(chǔ)，設(shè)計開發(fā)了一款適用于CAN 總線實驗教學(xué)的平臺，通過該平臺的實踐教學(xué)可知，相比較傳統(tǒng)的教學(xué)方法，具有以下優(yōu)點:(1)該CAN 總線實驗教學(xué)平臺，不僅能夠滿足基本的CAN 總線通信功能的實驗需求，而且可以擴展相關(guān)傳感器模塊，實現(xiàn)簡單的CAN 網(wǎng)絡(luò)項目實驗. 通過實驗，能夠提高學(xué)生對CAN 總線的基本原理和設(shè)計方法的掌握水平. (2)該平臺以51 單片機為基礎(chǔ)，做到了實驗平臺的微型化“口袋式”，這樣學(xué)生的實驗不僅僅局限于實驗室，方便學(xué)生課下進一步擴展設(shè)計，進而推動項目驅(qū)動型教學(xué)模式的開展.

圖9 溫濕度數(shù)據(jù)采集結(jié)果Fig.9 Results of temperature and humidity data collection

綜上所述，采用自制CAN 總線實驗教學(xué)平臺，有助于提高CAN 總線課程教學(xué)質(zhì)量，對于培養(yǎng)應(yīng)用型CAN 總線人才具有重要作用.