基于CAN總線的多機(jī)通信中的設(shè)計應(yīng)用

隨著微處理器的發(fā)展，利用微處理器對工業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制已成為趨勢。在工業(yè)控制過程中，由于大量數(shù)據(jù)信息的共享和傳輸，傳統(tǒng)的串行通信模式已不能滿足要求。在工業(yè)控制領(lǐng)域中，需要一種抗干擾性強(qiáng)、可靠性高、傳輸速度快和傳輸距離長的總線結(jié)構(gòu)。CAN總線技術(shù)不僅滿足上述要求，而且還能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)間的信息傳遞。本文使用PCI9810-cAN適配卡上的CAN總線組成局域網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多微處理器間的信息傳遞和PC機(jī)對多處理器的檢控、通信。

1 CAN總線簡介

CAN（Controller Area Networks）總線，最早是由德國Bosch公司開發(fā)用于局域網(wǎng)控制的總線技術(shù)。CAN總線采用傳統(tǒng)的雙線串行通信方式，具有診斷能力，抗電磁干擾，其最陜傳輸速率可達(dá)1 Mb·s-1，最長通信距離可達(dá)10 km（此時的傳輸速率大約為40 kb·s-1）。在CAN總線組成的局域網(wǎng)絡(luò)中，通信節(jié)點(diǎn)之間不采用主從方式，而是具有總線訪問優(yōu)先權(quán)，通信方式靈活，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)，一點(diǎn)對多點(diǎn)及廣播方式傳輸數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)通信模塊的硬件設(shè)計

CAN總線是由PCI9810-CAN適配卡提供，本文主要完成通信節(jié)點(diǎn)的設(shè)計。通信節(jié)點(diǎn)不僅可以和PC機(jī)進(jìn)行信息交換，還可獨(dú)立與其他各節(jié)點(diǎn)通信。微處理器在需要和主機(jī)或其它節(jié)點(diǎn)通信時，其通過P0口向SJA1000T的寄存器發(fā)送信息，再由PCA82C250把信息傳遞到CAN總線上。主機(jī)和其他通信節(jié)點(diǎn)判斷接收報文的標(biāo)識符，將對接收到的信息作相應(yīng)的處理，從而實(shí)現(xiàn)通信功能，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)通信接點(diǎn)的原理

在設(shè)計過程中，為了滿足多微處理器間通信的實(shí)時性和可靠性要求，結(jié)合CAN控制器的特點(diǎn)，對圖1作簡單介紹：

（1）收發(fā)器PCA82C250的引腳8（Rs）有3種工作方式：高速，斜率控制和待機(jī)。斜率控制方式具有抗射頻干擾的功能，所以采用47 kΩ的電阻連接引腳8，實(shí)現(xiàn)斜率控制方式。

（2）圖1中應(yīng)為兩個高速光電耦合隔離器件6N137，由于6N137輸出引腳的驅(qū)動能力不夠，需要連接一個約390 Ω的上拉電阻，以增加輸出引腳的驅(qū)動能力。兩個光電耦合隔離器件6N137的電源信號采用5 V的DC-DC隔離模塊WRA0505P，以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。

（3）收發(fā)器PCA82C250的CANH和CANL引腳各自由通過一個5 Ω的電阻與CAN總線相連，電阻起到一定的限流作用，保護(hù)PCA82C250免受CAN總線上的過流沖擊。

（4）收發(fā)器PCA82C250的CANH和CANL引腳與電源地之間分別反接一個保護(hù)二極管和30 pF的電容，可以起到CAN總線的過壓保護(hù)作用和過流沖擊。

（5）CAN控制器SJA1000T輸入方式有2種：Intel輸入方式和Motorola輸入方式。在此采用Intel輸入方式，所以SJA1000T的MODE引腳接高電平。

（6）設(shè)計僅用到TX0和RX0引腳，根據(jù)SJA1000T通信協(xié)議所要求的輸入／輸出邏輯電平關(guān)系，SJA1000T的TX1腳懸空，RX1引腳的電位必須維持在0.5 Vcc以上，所以在TX1引腳接上約6.8 kΩ和3.6 kΩ分壓電阻。

（7）微處理器C51的引腳P2.7接CAN控制器SJA1000T的片選信號／CS，可知CAN控制器SJA1000T的寄存器首地址為8000H。處理器C41和CAN控制器SJA1000T共用12 MHz的晶振，以提高通信速率。

通過上述分析，設(shè)計的電路原理圖，如圖2所示。

圖2 通信節(jié)點(diǎn)的電路原理圖

3 系統(tǒng)通信模塊的軟件設(shè)計

通信模塊的軟件由3部分組成：初始化程序，發(fā)送程序和接受程序。僅這3部分程序，就能完成通信節(jié)點(diǎn)間信息的傳遞。要將CAN總線應(yīng)用于更復(fù)雜的通信系統(tǒng)中，還要考慮CAN總線的錯誤處理，超載處理等功能和節(jié)點(diǎn)間的計算方法。由于每個通信節(jié)點(diǎn)都有自己的MCU，所以它們之間可以自由通信。通過CAN收發(fā)器PCA82C250的引腳CANH和CANL對總線輸出，使總線表現(xiàn)“顯性”，這時可發(fā)送信息。判斷總線表現(xiàn)為“顯性”時，就要為接受信息做好準(zhǔn)備。

3.1 CAN控制器SJA1000T初始化程序

該程序首先進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，設(shè)置SJAl000T的模式寄存器MR為Basic CAN模式，驗(yàn)收碼寄存器ACR和屏蔽碼寄存器AMR，再設(shè)置定時器0和定時器1，輸出控制寄存器OCR，重新設(shè)置控制寄存器CR，返回到正常工作模式下。初始化程序流程圖如圖3所示。

圖3 初始化程序流程圖

3.2 發(fā)送程序

此系統(tǒng)采用中斷方式發(fā)送信息，這樣能節(jié)省資源，提高通信效率。需要發(fā)送信息時，先將信息組合成一幀報文：數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀。進(jìn)入發(fā)送程序后，首先關(guān)閉中斷，保護(hù)現(xiàn)場，讀中斷寄存器是否為發(fā)送中斷，將報文寫入發(fā)送緩沖區(qū)，設(shè)置命令寄存器允許發(fā)送，開中斷。發(fā)送程序流程圖，如圖4所示。

圖4 發(fā)送程序流程圖

3.3 接受程序

此系統(tǒng)仍采用中斷方式接收信息。接收程序比較復(fù)雜，需要對錯誤報警，接收溢出等情況作進(jìn)一步的處理。信息報文通過CAN總線被送入接收緩存器中，接收中斷被置位，處理器從控制器SJA1000T的緩存器內(nèi)讀取信息，再設(shè)置新的接收標(biāo)志，開中斷。接收程序流程圖如圖5所示。

圖5 接收程序流程圖

4 結(jié)束語

把多個通信節(jié)點(diǎn)連接到PCI9810-CAN適配卡上的CAN總線，構(gòu)成一個局部通信網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對多通信節(jié)點(diǎn)的檢控和信息傳送，通信節(jié)點(diǎn)間的高速通信。在實(shí)際中，可以實(shí)現(xiàn)約110個通信節(jié)點(diǎn)間的通信，但系統(tǒng)比較復(fù)雜，通信效率降低，就需要考慮PCI9810-CAN適配卡和通信節(jié)點(diǎn)的程序改進(jìn)和相應(yīng)算法的應(yīng)用。在多機(jī)通信系統(tǒng)的設(shè)計過程中，主要是通過軟件的編寫，提高系統(tǒng)的高速傳輸性。