異構(gòu)CAN 總線節(jié)點通信系統(tǒng)設(shè)計

郝 彬，李樹鳳，王志琳，劉新月

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院，天津 300222；2.科信達(dá)通（天津） 科技發(fā)展有限公司，天津 300101）

CAN（controller area network）[1]總線獲得了業(yè)界的認(rèn)可，其應(yīng)用場景也從汽車領(lǐng)域[2-3]延伸至工業(yè)自動化[4]、船舶、醫(yī)療設(shè)備[5]、工業(yè)設(shè)備[6-7]等領(lǐng)域，用途十分廣泛。在我國北方，大棚種植瓜果、蔬菜是廣大農(nóng)民發(fā)展多種經(jīng)營、增加經(jīng)濟收入的重要手段。在大棚技術(shù)[8]管理方面涉及的內(nèi)容很多，主要有光照、溫度、病蟲害、防霜凍等。在北方的冬季，氣溫較低，為了保持大棚內(nèi)的溫度，防止凍害，往往要在塑料薄膜上覆蓋一層或多層草苫，這樣雖可起到保溫的作用，但會影響光照作用。而有時雖然不需要覆蓋草苫，但是受到北方霧霾、陰雪天氣的影響，也會影響大棚內(nèi)作物的采光種植，所以為大棚內(nèi)植物提供充足的光照是一項重要的技術(shù)問題。為實現(xiàn)大棚內(nèi)照明，目前大多采用LED 照明光源[9]，在大棚內(nèi)進(jìn)行多點布設(shè)。針對各LED照明節(jié)點，本文研究了基于CAN 總線互聯(lián)的多照明節(jié)點的連接和控制方式，并分析了采用不同控制芯片的CAN 照明節(jié)點的互聯(lián)問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計

CAN 總線的物理連接只需2 根線，常記為CAN_H和CAN_L，通過差分信號進(jìn)行傳輸。CAN 總線網(wǎng)絡(luò)是一種真正的多主機網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1 所示。

圖1 CAN 通信系統(tǒng)拓?fù)鋱D

在總線處于空閑狀態(tài)時，任何一個節(jié)點單元都可以申請成為主機，向總線發(fā)送消息。最先訪問總線的節(jié)點單元可以獲得總線的控制權(quán)；多個節(jié)點單元同時嘗試獲取總線的控制權(quán)時，將發(fā)生仲裁事件，只有優(yōu)先級高的節(jié)點單元能獲得總線的控制權(quán)。

CAN 總線的通信速率和總線長度有關(guān)，在總線長度小于40 m 的場合中，數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到1 Mbps，而即使總線長度達(dá)到1 000 m，數(shù)據(jù)傳輸速度仍可達(dá)到50 kbps，明顯優(yōu)于RS232 和RS485 等通信方式。CAN 總線上的節(jié)點數(shù)理論上沒有上限，但在實際中受到總線上的時延以及電氣負(fù)載的限制，這種傳輸距離完全可以滿足大棚內(nèi)的布線要求。

由圖1 可知，每個通信節(jié)點由微控制器、CAN 控制器、CAN 收發(fā)器3 部分組成。在構(gòu)造CAN 總線通信節(jié)點時，可以選擇不同廠家的微控制器、CAN 控制器和CAN 收發(fā)器。目前，市場上具有代表性的CAN 控制器有恩智浦公司的SJA1000，在CAN 收發(fā)器方面，有恩智浦公司的PCA82C250 和TJA1050。為提升產(chǎn)品的綜合性能，很多微控制器廠商提供集成了CAN 控制器的MCU 產(chǎn)品，如意法半導(dǎo)體（ST）公司的STM32F103系列的32 位微控制器，恩智浦公司的P87C591 系列的8 位單片機等。

在一個CAN 總線網(wǎng)絡(luò)中采用完全一致的CAN 節(jié)點設(shè)計無疑是最為方便的方案，但由于功能、成本或其他方面因素的考慮，在同一個CAN 總線網(wǎng)絡(luò)上，各CAN 節(jié)點會采用不同的實現(xiàn)方案。這時就必須解決異構(gòu)CAN 節(jié)點的互聯(lián)互通問題。本文以照明控制應(yīng)用為案例，從實用角度出發(fā)，闡述異構(gòu)CAN 節(jié)點間實現(xiàn)互聯(lián)互通時所涉及的主要技術(shù)問題。

2 節(jié)點電路實現(xiàn)方式

在本文設(shè)計的照明控制系統(tǒng)中，CAN 網(wǎng)絡(luò)由一個主節(jié)點和多個從節(jié)點組成。主節(jié)點負(fù)責(zé)多點數(shù)據(jù)采集和信息顯示，采用意法半導(dǎo)體（ST）的32 位STM32F103作為控制器[10-11]，STM32F103 微控制器內(nèi)置了bx（basic extended）CAN 控制器，集成度高。各從節(jié)點主要功能是負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)的照度信號檢測，以及控制一組LED 照明燈的光照強度調(diào)節(jié)。出于項目的繼承性和成本方面的考慮，各子節(jié)點采用宏晶科技（STC）的STC89C52RC的8 位51 單片機作為節(jié)點控制器，實現(xiàn)節(jié)點控制和CAN 通信功能。相應(yīng)的節(jié)點框圖如圖2 所示。

圖2 CAN 通信系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2.1 STM32控制的CAN節(jié)點

在硬件上，STM32F103 內(nèi)部集成一個bxCAN 控制器。bxCAN 控制器支持2.0A 和2.0B 的CAN 協(xié)議，只需外接1 個CAN 收發(fā)器TJA1050，即可滿足CAN 通信的硬件要求。硬件電路如圖3 所示。

圖3 STM32F103 控制的CAN 節(jié)點電路圖

由圖3 可知，STM32F103 的bxCAN 協(xié)議控制器的發(fā)送引腳（CAN_TX）為PA12，接收引腳（CAN_RX）為PA11，與CAN 收發(fā)器TJA1050 對應(yīng)的串行數(shù)據(jù)輸出TXD 和串行數(shù)據(jù)輸入RXD 相連。TJA1050 通過其2 個有差動接收和發(fā)送能力的總線終端CANH 和CANL 連接到CAN 總線網(wǎng)絡(luò)。

2.2 STC89C52RC控制的CAN節(jié)點

STC89C52RC 是一款功能單一的傳統(tǒng)8 位51單片機，如要實現(xiàn)CAN 總線通信功能需外擴獨立的CAN 總線控制器和收發(fā)器，如圖2 所示。在實際應(yīng)用中，CAN 控制器選用SJA1000[12]，收發(fā)器采用PCA82C250，二者均為恩智浦公司的產(chǎn)品。SJA1000 是一款獨立的CAN 控制器，支持CAN2.0 協(xié)議的新特性。其地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線AD0-AD7 與STSTC89C52RC的P0 口相連，做為單片機的外部存儲器擴展應(yīng)用。ALE、RD、WR 引腳與單片機的對應(yīng)引腳連接，控制讀寫數(shù)據(jù)操作，完成數(shù)據(jù)和地址通信。片選端CS 連接到單片機的P2.0，片選信號低電平有效。復(fù)位端RST 由單片機的P2.3 控制。SJA1000 的16 腳MODE 端接高電平選擇INTEL 模式。SJA1000 的16 腳是中斷信號輸出，接到STSTC89C52RC 的INT1，使單片機以中斷方式接收CAN 總線的數(shù)據(jù)。XTAL1 和XTAL2 共2 個引腳接16 MHz 的晶體，為SJA1000 數(shù)據(jù)的發(fā)送以及校驗等功能提供時鐘。

SJA1000 的TX0、RX0 連接到CAN 收發(fā)器PCA82-C250 的對應(yīng)引腳，數(shù)據(jù)幀就可以傳送到總線上。由于控制器和收發(fā)器都需要外擴，故與STM32 相比，STC89C52RC 實現(xiàn)的CAN 節(jié)點硬件電路要復(fù)雜一些。

3 節(jié)點波特率

在完成了硬件設(shè)計后，具體通信功能要依靠軟件來實現(xiàn)。同其他串行通信方式一樣，CAN 總線在通信時，各節(jié)點要具有相同的波特率。

3.1 STM32控制的CAN節(jié)點波特率設(shè)置

CAN 總線的數(shù)據(jù)傳輸速率由波特率決定，它是指發(fā)送單元在非同步狀態(tài)下發(fā)送的每秒位數(shù)，也稱為位速率。標(biāo)準(zhǔn)的CAN 協(xié)議的一個位可分為4 個段：同步段（SS）、傳播時間段（PTS）、相位緩沖段1（PBS1）和相位緩沖段2（PBS2）。而每個段又由若干個被稱為最小時間單位tq構(gòu)成。STM32 將傳播時間段和相位緩沖段1 合并為1 個PSB1。同步段的時長為1 個tq，相位緩沖段1 和相位緩沖段2 的時長為tq的整數(shù)倍。正常的位時間是上述3 段的時長之和。STM32 的位時序如圖4所示。

圖4 bxCAN 的位時序圖

通信波特率是正常位時間的倒數(shù)。參見文獻(xiàn)[6]，正常位時間=1×tq+tBS1+tBS2，其中，tq=（BRP[9 ∶0]+1）×tPCLK，tBS1=tq×（TS1[3 ∶1]+1），tBS2=tq×（TS2[2 ∶0]+1），tPCLK是APB1 總線的時鐘周期。BRP [9 ∶0]，TS1[3 ∶1]，TS2[2 ∶0]均在CAN 位時間寄存器（CAN_BTR）中定義。通信波特率計算式為

若取APB1 的時鐘頻率為36 MHz，BRP[9 ∶0] =47，TS1[3 ∶1]=2，TS2[2 ∶0]=1，則可計算出波特率為125 kbps，即為應(yīng)用實例使用的波特率。

3.2 STC89C52RC節(jié)點波特率設(shè)置

由51 單片機控制的CAN 節(jié)點是通過STC89C52RC設(shè)置CAN 控制器SJA1000 的相應(yīng)寄存器來實現(xiàn)的。在SJA1000 中CAN 總線的位時間采用了與STM32 相類似的描述方式，因是不同廠家的產(chǎn)品，故使用了不同的稱謂。在SJA1000 中，位時間的最小單位稱為CAN 系統(tǒng)時鐘周期，用Tscl表示，對應(yīng)STM32 中的tq。每一位也是由同步段、時間段1、時間段2 組成，分別用Tsyncseg、Tseg1、Tseg2表示，與STM32 中的同步段、相位緩沖段1 和相位緩沖段2 對應(yīng)。

由于CPU 的架構(gòu)不同，具體的寄存器設(shè)置方式也不同，這是實現(xiàn)CAN 總線通信的關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)。CAN系統(tǒng)時鐘周期為

式中：BRP.5 是總線定時器（BTR0）中BRP.5 位的設(shè)置狀態(tài)，只有0 或1 這2 種可能；第BRP.4 位、BRP.3 位、BRP.2 位、BRP.1 位和BRP.0 位的設(shè)置狀態(tài)一并代入式（2）計算；Tclk是SJA1000 外部晶振的頻率周期，使用16 M 外部晶振。

在SJA1000 中，3 個段的計算式為

式（4）中，Tseg1.3、Tseg1.2、Tseg1.1、Tseg1.0 是總線定時器（BTR1）中對應(yīng)的位設(shè)置，式（5）中Tseg2.2、Tseg2.1、Tseg2.0也是總線定時器（BTR1）中對應(yīng)的位設(shè)置。

在SJA1000 中

在應(yīng)用實例中，設(shè)置總線定時器0 預(yù)設(shè)值0x03，即BRP0=0x03，即BRP.1 和BRP.0 為1，其余位為0。由式（2）可計算出CAN 系統(tǒng)時鐘周期Tscl=2×（2+1+1）/16 M。

總線定時器（BTR1）的設(shè)置值0x1C，即BTR1 =0x1C，即Tseg1.3=1，Tseg1.2=1，Tseg2.0=1，其他位為0，相應(yīng)可以計算出Tseg1= Tscl×（8 + 4 + 1）=13Tscl，Tseg2=Tscl×（1+1）=2Tscl，將其代入式（6）得

位時間=Tsyncseg+Tseg1+Tseg2=16×Tscl

波特率=1/（16×Tscl）=125 kbps

與前述STM32 設(shè)置的通信速率保持一致。

STC89C52RC 對SJA1000 的訪問是按照外部存儲器方式來實現(xiàn)的，所以訪問的基地址即為0xFE00，地址范圍0xFE00～0xFFFF，采用宏定義語句#define SJA_BASE_ADR0xFE00，定義該基地址后，對SJA1000 的存儲器的方式就是在該基地址基礎(chǔ)上加上相應(yīng)的偏移量，如發(fā)送緩沖區(qū)的第1 個字節(jié)位于第17 個寄存器，其地址為#defineSJA_RBSR0XBYTE[SJA_BASE_ADR+0x10]。

針對STC89C52RC 控制節(jié)點按照上述波特率設(shè)置方式對SJA1000 進(jìn)行軟件編程，保證主、從節(jié)點使用的波特率相同，即可實現(xiàn)51 單片機控制的各個從節(jié)點與STM32 控制的主節(jié)點的數(shù)據(jù)通信，從而構(gòu)建基于CAN 總線的多節(jié)點照明系統(tǒng)。

4 驗證系統(tǒng)搭建

依據(jù)上述方案，項目組搭建了1 個主節(jié)點和3 個從節(jié)點的演示驗證系統(tǒng)。主控節(jié)點采用STM32F103RBT6芯片，如圖5（a）所示，從節(jié)點采用STC89C52RC 單片機控制，由于與從節(jié)點配套的CAN 控制器SJA1000是一個單獨芯片，故采用了模塊化設(shè)計，單獨設(shè)計了一個小印制板，采用插卡式安裝，如圖5（b）所示。

圖5 演示驗證系統(tǒng)

這種設(shè)計方案既方便維修，又利于系統(tǒng)的升級換代。如在系統(tǒng)小型化設(shè)計時，需要將插裝的單片機芯片改為貼片設(shè)計，只需重新設(shè)計上部的主控板。演示驗證系統(tǒng)中，主、從節(jié)點CAN 總線通信波特率均設(shè)置為125 kbps，可實現(xiàn)主節(jié)點對從節(jié)點的光照強度控制及各從節(jié)點的狀態(tài)輪詢。為降低節(jié)點成本，照明節(jié)點采用價格較低的LED 燈頭作為照明光源，LED 燈頭的供電驅(qū)動為自主設(shè)計的LED 驅(qū)動板，驅(qū)動芯片使用AMC7150，而照明燈頭直接采購市場上現(xiàn)成的產(chǎn)品。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計實現(xiàn)了采用不同主控芯片，通過CAN 總線通信，實現(xiàn)多LED 照明節(jié)點控制系統(tǒng)。主節(jié)點功能為多點數(shù)據(jù)采集和信息顯示，采用意法半導(dǎo)體（ST）的32 位STM32F103 作為控制器，內(nèi)置了bxCAN 控制器。從節(jié)點采用低價的STC89C52RC 單片機，需外擴款獨立的CAN 控制器SJA1000。根據(jù)上述方案，本文搭建1 個主節(jié)點和3 個從節(jié)點的演示驗證系統(tǒng)。所有節(jié)點CAN 總線通信波特率均設(shè)置為125 kbps，可實現(xiàn)節(jié)點間通信控制。系統(tǒng)采用的異構(gòu)CAN 節(jié)點通信技術(shù)，也可用于其他通信網(wǎng)絡(luò)中，具有一定的應(yīng)用推廣價值。