基于CAN總線的開(kāi)關(guān)控制電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐志山

(宣城職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械與汽車(chē)工程系,安徽 宣城 242000)

1 CAN總線概述

CAN(Controller Area Network)為控制器局域網(wǎng)之意，是基于工業(yè)控制的現(xiàn)場(chǎng)總線(Field bus)的一種形式[1]，稱(chēng)為CAN總線.CAN總線最早由德國(guó)Bosch公司開(kāi)發(fā)用于汽車(chē)上多個(gè)電子控制模塊間的通信，目的是提高通信可靠性，實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)電控系統(tǒng)由分散控制向網(wǎng)絡(luò)控制的轉(zhuǎn)變，形成了車(chē)載網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)[2].早在1993年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)就通過(guò)了CAN總線通信協(xié)議.CAN總線通信協(xié)議包括兩部分，即CAN2.0A和CAN2.0B，它們的主要區(qū)別在于信息報(bào)文的格式不同，CAN2.0A提供11位的報(bào)文地址，而CAN2.0B提供29位的報(bào)文地址，所以,CAN2.0A被稱(chēng)為BasicCAN，而CAN2.0B被稱(chēng)為PeliCAN[3].

實(shí)際的CAN總線通信是發(fā)生在單片機(jī)之間的串行通信，但不是單片機(jī)之間的直接通信，而是發(fā)生在以單片機(jī)為核心的通信設(shè)備物理層和數(shù)據(jù)鏈路層之間的信息傳輸，其中，物理層是CAN總線的硬件層，主要實(shí)現(xiàn)物理信號(hào)傳輸、譯碼、位定時(shí)、位同步和位驅(qū)動(dòng)，而數(shù)據(jù)鏈路層能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的總線仲裁、信息分段以及數(shù)據(jù)拆封、數(shù)據(jù)應(yīng)答、錯(cuò)誤檢測(cè)、超載通知等功能[4].要實(shí)現(xiàn)CAN總線通信，關(guān)鍵是CAN總線通信的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，在硬件設(shè)備上有的采用8位單片機(jī)，如PIC16F877[5]，有的采用16位單片機(jī)，如MC9S12X128[6]，而SJA1000和TJA1050一直是作為CAN總線通信的控制器和收發(fā)器.江蘇啟東計(jì)算機(jī)廠生產(chǎn)的DVCC-51NET單片機(jī)開(kāi)發(fā)板裝有SJA1000和TJA1050芯片，在開(kāi)發(fā)板上插入STC89C52芯片作為主控芯片，將TJA1050的端子CAN-H(端子7)和CAN-L(端子6)用雙絞線與其他有同樣裝置的開(kāi)發(fā)板連接起來(lái)，就可以進(jìn)行CAN總線開(kāi)關(guān)控制設(shè)計(jì).

2 CAN總線開(kāi)關(guān)控制電路硬件設(shè)計(jì)

按照CAN總線通信物理層協(xié)議要求，CAN總線通信就是通過(guò)專(zhuān)用的通信線(一般是屏蔽雙絞線)將若干個(gè)通信模塊并聯(lián)起來(lái)，每個(gè)通信模塊叫做CAN節(jié)點(diǎn).對(duì)于非集成式CAN節(jié)點(diǎn)至少包括3部分，即：節(jié)點(diǎn)主控單元(單片機(jī))、CAN控制器、CAN收發(fā)器.節(jié)點(diǎn)主控單元負(fù)責(zé)與CAN控制器聯(lián)絡(luò)，并不斷地采集和處理外圍信息；CAN控制器類(lèi)似于節(jié)點(diǎn)主控單元的外部RAM設(shè)備，它不僅具有存儲(chǔ)功能，而且還具有控制功能，主要負(fù)責(zé)信息成幀與解幀，再通過(guò)串行傳輸方式與CAN收發(fā)器聯(lián)系，將信息發(fā)送或接收；CAN收發(fā)器是CAN控制器的“端口”，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換和傳輸信息.

圖1 CAN總線通信節(jié)點(diǎn)控制電路局部示意圖

3 CAN總線開(kāi)關(guān)控制電路軟件設(shè)計(jì)

3.1 CAN總線通信軟件設(shè)計(jì)規(guī)則

3.1.1 數(shù)據(jù)信息規(guī)則

CAN總線通信信息在節(jié)點(diǎn)內(nèi)是0、1代碼組成的數(shù)據(jù)，通過(guò)TJA1050向總線發(fā)送時(shí)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào).TJA1050具有傳輸速度高(最高可達(dá)1兆波特)、電磁輻射低、電磁干擾小和輸入范圍寬的特性.在發(fā)送端，對(duì)于高速CAN(如500千波特)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)送“0”位時(shí)，CAN-H線電壓為3.5 V，CAN-L線電壓為1.5 V，稱(chēng)“顯性”狀態(tài)；當(dāng)發(fā)送“1”位時(shí)，CAN-H線與CAN-L線電壓近乎相等，約為2.5 V，稱(chēng)“隱性”狀態(tài).對(duì)于低速CAN(如100千波特)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)送顯性位“0”時(shí)，CAN-H線電壓為3.6 V左右，CAN-L線為1.4 V左右；發(fā)送隱性位“1”時(shí)，CAN-H線電壓為0 V，而CAN-L線為5 V.在接收端，TJA1050將CAN總線上的電壓信號(hào)還原成0、1數(shù)據(jù)位.

3.1.2 數(shù)據(jù)發(fā)送規(guī)則

CAN總線上的節(jié)點(diǎn)可主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，為了防止總線上多節(jié)點(diǎn)間發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生沖突，CAN總線通信協(xié)議規(guī)定：數(shù)據(jù)成幀發(fā)送，稱(chēng)為數(shù)據(jù)幀，每個(gè)數(shù)據(jù)幀包括7個(gè)域(起始域、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域、校驗(yàn)域、應(yīng)答域和結(jié)束域)，節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，先發(fā)送起始域，再發(fā)送仲裁域.當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，只有獲得仲裁權(quán)的節(jié)點(diǎn)才可以發(fā)送控制域、數(shù)據(jù)域、校驗(yàn)域，直至一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢.仲裁權(quán)是根據(jù)仲裁域數(shù)值的大小來(lái)確定的，其數(shù)值越小優(yōu)先級(jí)越高.實(shí)際上，總線上的節(jié)點(diǎn)都有自己的仲裁域，根據(jù)需要可以將各個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)定為不同的值，這樣避免了數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)出現(xiàn)的競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象.一幀數(shù)據(jù)被發(fā)送完畢，發(fā)送節(jié)點(diǎn)CAN控制器的狀態(tài)寄存器自動(dòng)產(chǎn)生“發(fā)送中斷”信號(hào)，有利于節(jié)點(diǎn)主控單元的中斷或查詢(xún)處理.

3.1.3 數(shù)據(jù)接收規(guī)則

TJA1050采用“差分式”接收數(shù)據(jù)，按“位”以串行的方式送到SJA1000，在SJA1000內(nèi)經(jīng)物理同步后被解除填充位，自動(dòng)進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)，以“并行”方式通過(guò)驗(yàn)收濾波器，驗(yàn)收過(guò)的數(shù)據(jù)移入SJA1000的RXFIFO(接收緩沖區(qū))區(qū).這時(shí)，在STC89C52指令的作用下可將RXFIFO中有用數(shù)據(jù)讀出，同時(shí)執(zhí)行輸出指令，將接收到的有用數(shù)據(jù)對(duì)外輸出，并釋放SJA1000內(nèi)接收緩沖區(qū)，為下一次接收新的數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備.

3.2 CAN總線通信軟件設(shè)計(jì)步驟

CAN總線通信系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括：SJA1000初始化、SJA1000中斷處理、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收及輸出、數(shù)據(jù)輸入和主程序.

3.2.1 SJA1000初始化

SJA1000的初始化可按下列步驟進(jìn)行.

第一步，復(fù)位.STC89C52對(duì)SJA1000片外尋址，賦予SJA1000控制寄存器(CR)的初值為01H，這時(shí)SJA1000控制寄存器“復(fù)位請(qǐng)求”位(CR.0)置1，即可使SJA1000進(jìn)入復(fù)位狀態(tài).

第二步，CAN總線波特率的設(shè)置.波特率的大小反映了位傳輸速率，CAN總線波特率的設(shè)置要考慮CAN通信驅(qū)動(dòng)設(shè)備的能力.SJA1000有兩個(gè)定時(shí)寄存器：BTR0和BTR1，BTR0用于確定位傳輸速率的預(yù)設(shè)值，而B(niǎo)TR1用于確定位定時(shí)，由BTR0和BTR1就可以確定位傳輸速率及其允許的變化范圍.

第三步，設(shè)置接收?qǐng)?bào)文標(biāo)識(shí)符.CAN通信協(xié)議沒(méi)有明確規(guī)定標(biāo)識(shí)符的分配，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)都是有用的，總有其他節(jié)點(diǎn)接收.為了明確表示數(shù)據(jù)的傳輸方向，對(duì)于采用11位標(biāo)識(shí)符的通信節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，將接收數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)符數(shù)據(jù)高8位存放在發(fā)送節(jié)點(diǎn)驗(yàn)收代碼寄存器(ACR)中，同時(shí)在發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)起始的兩個(gè)字節(jié)空間中存放接收節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)符和控制域，以確定接收節(jié)點(diǎn)及其應(yīng)該接收的數(shù)據(jù)字節(jié)的個(gè)數(shù).

第四步，輸出控制寄存器的設(shè)置.輸出控制寄存器的設(shè)置取決于SJA1000和TJA1050的連接情況，由于SJA1000的TX0、RX0分別通過(guò)一個(gè)定值電阻(390 Ω)連接到TJA1050的TXD和RXD端，為此采用正常輸出模式，推挽輸出，數(shù)據(jù)位為“0”時(shí)輸出極性為“高”，數(shù)據(jù)位為“1”時(shí)輸出極性為“低”.

第五步，時(shí)鐘分頻寄存器的設(shè)置.將時(shí)鐘分頻寄存器的最高位賦0值，在此采用CAN2.0A模式；將該寄存器的次高位置1，只需激活SJA1000的RX0端子，RX1端子接地；時(shí)鐘分頻寄存器BIT5位為0，無(wú)需用TX1端子中斷輸出；“關(guān)閉時(shí)鐘”位(BIT3)置位，禁用SJA1000的時(shí)鐘引腳CLKOUT，頻率選擇位CD2～CD0取值不受限制.

第六步，進(jìn)入工作模式.回到SJA1000的控制寄存器(CR)，將CR.0位賦0值，即可進(jìn)入工作模式.由于采用單字節(jié)的輸入輸出信號(hào)，不會(huì)產(chǎn)生溢出和錯(cuò)誤中斷，所以只需允許SJA1000的接收中斷和發(fā)送中斷，賦予控制寄存器的值為06H符合要求.

3.2.2 SJA1000中斷處理子程序

SJA1000中斷寄存器對(duì)于STC89C52來(lái)說(shuō)是只讀寄存器，可產(chǎn)生中斷標(biāo)志.STC89C52把SJA1000的中斷信號(hào)作為外部中斷來(lái)處理，當(dāng)SJA1000有接收中斷或發(fā)送中斷發(fā)生時(shí)，中斷寄存器中相應(yīng)的位被置“1”，使STC89C52產(chǎn)生中斷，STC89C52隨即去執(zhí)行中斷服務(wù)——處理中斷子程序.若發(fā)生SJA1000接收中斷，STC89C52立即從SJA1000接收緩沖區(qū)接收數(shù)據(jù)；若發(fā)生SJA1000發(fā)送中斷，STC89C52會(huì)從輸入設(shè)備接收新的數(shù)據(jù)，為下一次發(fā)送做準(zhǔn)備.接收中斷和發(fā)送中斷不會(huì)同時(shí)發(fā)生，但有先后順序.

3.2.3 數(shù)據(jù)發(fā)送子程序

數(shù)據(jù)采用定時(shí)發(fā)送，利用STC89C52定時(shí)器的定時(shí)功能，每隔一定時(shí)間向SJA1000啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)發(fā)送指令.若選擇LED燈做輸出設(shè)備，應(yīng)選擇不高于40 ms的時(shí)間間隔，可以避免LED燈的閃爍現(xiàn)象，但是發(fā)送數(shù)據(jù)的間隔時(shí)間應(yīng)高于發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間.發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)將存放在STC89C52發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)傳送到SJA1000的發(fā)送緩沖區(qū)，先發(fā)送接收節(jié)點(diǎn)仲裁域的高8位，緊接著發(fā)送其低3位、控制域和數(shù)據(jù)域，直至數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，再向SJA1000啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送指令，一旦SJA1000出現(xiàn)“發(fā)送中斷”信號(hào)，表示一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢.

3.2.4 數(shù)據(jù)接收及輸出子程序

CAN節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)有兩種方法：中斷接收和查詢(xún)接收，在此啟用中斷接收方式.由于CAN總線數(shù)據(jù)采用“廣播式”發(fā)送，按照仲裁規(guī)則，只有獲得仲裁權(quán)的節(jié)點(diǎn)方可接收數(shù)據(jù)，獲得仲裁的節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)的仲裁域、控制域和數(shù)據(jù)域依次有序接收到SJA1000的接收緩沖區(qū)，并向接收節(jié)點(diǎn)STC89C52產(chǎn)生接收中斷信號(hào).接收節(jié)點(diǎn)STC89C52收到中斷信號(hào)后，就可以采用片外尋址的方式將接收節(jié)點(diǎn)SJA1000接收緩沖區(qū)中有用數(shù)據(jù)(對(duì)方8255A輸入數(shù)據(jù))存儲(chǔ)下來(lái)，并送到接收節(jié)點(diǎn)STC89C52的接收緩沖區(qū)保存，同時(shí)接收節(jié)點(diǎn)STC89C52向己方8255A輸出，在LED上顯示從總線接收的有用信號(hào).

8255A輸出數(shù)據(jù)子程序如下.

8255A_OUT：

MOV DPTR, #9003H ；向8255A寫(xiě)指令

MOV A， #90H

MOVX @DPTR， A

MOV R0， #RCV_BUFF3 ；有用數(shù)據(jù)存放位置

MOV A， @R0

MOV DPTR, #9001H ；指向8255A的PB口

MOVX @DPTR， A ；向8255A的PB口輸出

RET

3.2.5 數(shù)據(jù)輸入子程序

輸入數(shù)據(jù)來(lái)自于撥碼開(kāi)關(guān)的位置信息，首先將接收方的狀態(tài)域和控制域存入STC89C52的發(fā)送緩沖區(qū)，緊接著向8255A寫(xiě)入命令字，設(shè)置8255A各個(gè)端口的狀態(tài)，將PA口作為輸入端口，PB口作為輸出端口.讀入雙擲開(kāi)關(guān)狀態(tài)(高電平、低電平)的位置信息，存入控制域之后的發(fā)送緩沖區(qū)內(nèi).

8255A數(shù)據(jù)輸入子程序如下.

8255A_IN：

MOV R0， #SEND_BUFF1 ；R0指向發(fā)送緩沖區(qū)

MOV @R0, #02H ；接收節(jié)點(diǎn)仲裁域高8位

INC R0

MOV A， #01H ；發(fā)送數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)

MOV @R0, A ；將A的值送到SEND_BUFF2

MOV DPTR， #9003H ；指向8255A控制口

MOV A， #90H

MOVX @DPTR， A ；發(fā)送指令

MOV DPTR, #9000H ；指向8255A的PA口

MOVX A， @DPTR

MOV SEND_BUFF3， A ；輸入數(shù)據(jù)送到指定的存儲(chǔ)區(qū)

RET

3.2.6 主程序

主程序執(zhí)行時(shí)，節(jié)點(diǎn)向總線定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù).為了節(jié)省CPU資源，采用STC89C52的定時(shí)器T0，設(shè)置為工作方式1、定時(shí)40 ms，開(kāi)放定時(shí)器T0中斷、外部中斷0中斷及總中斷，對(duì)SJA1000初始化，當(dāng)SJA1000進(jìn)入工作模式后，總線上節(jié)點(diǎn)靜聽(tīng)CAN總線數(shù)據(jù)變化.如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)符合接收條件，將總線數(shù)據(jù)立即保存到節(jié)點(diǎn)的SJA1000的RXFIFO，并產(chǎn)生“接收中斷”，隨后將接收到的對(duì)方雙擲開(kāi)關(guān)信號(hào)通過(guò)8255A的PB口輸出到LED燈動(dòng)態(tài)顯示；當(dāng)定時(shí)器產(chǎn)生中斷信號(hào)時(shí)，STC89C52啟動(dòng)向SJA1000傳輸數(shù)據(jù)，并啟動(dòng)發(fā)送命令，將數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上.數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，SJA1000發(fā)送緩沖區(qū)被釋放，STC89C52可以重新接收雙擲開(kāi)關(guān)的輸入信號(hào)，等待下一次數(shù)據(jù)發(fā)送.

4 CAN總線通信開(kāi)關(guān)控制實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)CAN總線通信，現(xiàn)以?xún)蓚€(gè)DVCC-51NET開(kāi)發(fā)板為例，分別稱(chēng)為1號(hào)節(jié)點(diǎn)和2號(hào)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)按照?qǐng)D1所示的示意圖連接線路.雙擲開(kāi)關(guān)K0，K1，…，K7作為輸入設(shè)備，LED燈L0，L1，…，L7作為輸出設(shè)備，STC89C52、SJA1000和TJA1050分別為節(jié)點(diǎn)主控單元、節(jié)點(diǎn)CAN控制器、節(jié)點(diǎn)CAN收發(fā)器.初始狀態(tài)1號(hào)節(jié)點(diǎn)和2號(hào)節(jié)點(diǎn)的雙擲開(kāi)關(guān)全置于高電平(輸入值為FFH)，程序運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)開(kāi)發(fā)板的LED燈均點(diǎn)亮.當(dāng)將1號(hào)節(jié)點(diǎn)的某一雙擲開(kāi)關(guān)(如K0)撥到低電平狀態(tài)(輸入為0)，此時(shí)1號(hào)節(jié)點(diǎn)接收到輸入數(shù)據(jù)為FEH，1號(hào)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上，總線上的2號(hào)節(jié)點(diǎn)處于接收狀態(tài)，將接收到的數(shù)據(jù)送到2號(hào)節(jié)點(diǎn)8255A的PB口輸出，輸出端口PB的數(shù)據(jù)為FEH，經(jīng)反向驅(qū)動(dòng)器74LS240后，驅(qū)動(dòng)器使L0的控制端為高電平，這時(shí)2號(hào)節(jié)點(diǎn)L0燈熄滅，這樣實(shí)現(xiàn)了1號(hào)節(jié)點(diǎn)的開(kāi)關(guān)控制了2號(hào)節(jié)點(diǎn)相應(yīng)燈的亮滅，反過(guò)來(lái)也能實(shí)現(xiàn).

5 總結(jié)

由于STC89C52單片機(jī)具有通信速度快、可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)，采用STC89C52單片機(jī)開(kāi)發(fā)CAN總線通信，可實(shí)現(xiàn)總線式控制，并可實(shí)現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)控制.在CAN總線通信系統(tǒng)中，CAN控制器是至關(guān)重要的芯片，但不能脫離單片機(jī)而獨(dú)立工作，如果說(shuō)單片機(jī)是通信的控制器，則CAN控制器是通信的執(zhí)行器.CAN總線通信的關(guān)鍵就是單片機(jī)對(duì)CAN控制器的訪問(wèn)和信息傳輸，主要是CAN控制器寄存器的設(shè)置及其狀態(tài)查詢(xún)，只有把握各個(gè)寄存器的功能及對(duì)寄存器的編程方法，才能有效實(shí)現(xiàn)CAN總線通信.CAN收發(fā)器是總線的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，總線并聯(lián)的節(jié)點(diǎn)越多，對(duì)收發(fā)器的驅(qū)動(dòng)能力要求也越高，收發(fā)器還決定了總線的電平狀態(tài).8255A在此用作單片機(jī)端口的擴(kuò)展芯片，僅能接收和輸出數(shù)字信號(hào)，雙擲開(kāi)關(guān)和LED燈只作為簡(jiǎn)易的輸入和輸出設(shè)備，如果是模擬輸入和大功率輸出，還需增加其他電子設(shè)備(如模數(shù)轉(zhuǎn)換、功率放大電路)，同時(shí)還要考慮電源的承載能力.

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