基于CAN總線通信協(xié)議的設(shè)計與實現(xiàn)

1 前言
控制器局域網(wǎng)（CAN－Controller Area Network）屬于現(xiàn)場總線（Fieldbus）的范疇，是眾多的屬于現(xiàn)場總線標準之一，它適用于工業(yè)控制系統(tǒng)，具有通信速率高、可靠性強、連接方便、性能價格比高等諸多特點。它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，以其短報文幀及CSMA/CD-AMP（帶有信息優(yōu)先權(quán)及沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問）的MAC（媒介訪問控制）方式而倍受工業(yè)自動化領(lǐng)域中設(shè)備互連的厚愛。CAN的應(yīng)用范圍遍及從高速網(wǎng)絡(luò)到低成本的多線路網(wǎng)絡(luò)，它可以應(yīng)用于汽車系統(tǒng)、機械、技術(shù)設(shè)備和工業(yè)自動化里幾乎任何類型的數(shù)據(jù)通信。CAN具有如一下優(yōu)點：
1）使用簡單方便。許多CAN控制器實現(xiàn)了CAN物理層及數(shù)據(jù)鏈路層的大部分功能，用戶只須對CAN控制器進行初始化和對CAN總線上的數(shù)據(jù)進行收發(fā)操作即可實現(xiàn)通信；
2）高可靠性。CAN上的最大通信速率可達1Mbps，CAN總線是多主節(jié)點，各節(jié)點通過總線仲裁獲得總線控制權(quán)。完善的錯誤處理機制保證了高噪聲干擾環(huán)境下數(shù)據(jù)傳送的安全可靠；
3）系統(tǒng)可擴展性能好。CAN總線是基于發(fā)送報文的編碼，而不是對CAN控制節(jié)點進行編碼，故增添或刪除CAN節(jié)點不會對系統(tǒng)造成太大的影響。
CAN總線以報文為單位進行信息傳送，它支持4種不同類型的報文幀：數(shù)據(jù)幀、遠程幀、超載幀和錯誤幀。報文中包含信息標識符ID，它標志了報文的優(yōu)先權(quán)。CAN總線上各個節(jié)點都可主動發(fā)送，總線上的報文采用標識符ID進行仲裁，ID值越小，優(yōu)先級越高。具有最高優(yōu)先權(quán)報文的節(jié)點贏得總線使用權(quán)，而其它節(jié)點自動停比發(fā)送。在總線再次空閑后，這些節(jié)點將自動重發(fā)原報文。網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都可由ID來自動決定是否接收該報文。每個節(jié)點都有ID寄存器和屏蔽寄存器接收到的報文只有與該屏蔽的功能相同時，該節(jié)點才開始正式接收報文，否則它將不理睬ID后面的報文。這使CAN系統(tǒng)非常靈活，可任意擴展或改變網(wǎng)絡(luò)組成。
C8051F系列單片機是集成的混合信號片上系統(tǒng)SOC（System on chip），具有與MCS-51內(nèi)核及指令集完全兼容的微控制器，除具有標準8051的數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)還集成數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設(shè)及功能部件。正是由于其體積小、集成度高、功能多、配置容易、使用方便等特點，已被廣泛應(yīng)用于智能儀表、數(shù)據(jù)采集、自動化控制等領(lǐng)域。因此本文采用C8051F120設(shè)計與實現(xiàn)CAN總線通信協(xié)議，充分發(fā)揮其體積小、可靠性高的特點。C8051F120是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)MCU芯片，具有64個數(shù)字I/O引腳（100腳TQFP封裝）。
2 數(shù)據(jù)傳輸格式的制定
在CAN2.0規(guī)范中規(guī)定，每次收發(fā)最多只能傳送8字節(jié).這可以滿足大多數(shù)工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工控狀態(tài)和測試數(shù)據(jù)的一般要求；但實際應(yīng)用中，往往出現(xiàn)傳送多于8字節(jié)的要求，此時應(yīng)通過報文的拆卸和拼接技術(shù)予以實現(xiàn)。本文在CAN2.0A的基礎(chǔ)上，定義了簡單的傳輸格式，完成了單幀數(shù)據(jù)和多幀數(shù)據(jù)準確快捷的傳輸。
信息傳遞格式如表一所示:

其中，各位的含義如下：
FF:0表示為標準格式，1表示為擴展格式；
RTR:0表示為數(shù)據(jù)幀，1表示為遠程幀；
DLC.X:數(shù)據(jù)長度代碼位（0～8）；
ID.X:信息標識符位:
ID.28～ID.26為信息功能標識
ID.25～ID.21為接收任務(wù)標識
ID.20～ID.18為接收節(jié)點地址標識
X :保留位，默認為0，不能對保留位進行寫操作；
DATAO:數(shù)據(jù)場的第一個字節(jié)，本協(xié)議中用來表明數(shù)據(jù)的屬性；
DATA0.7～DATAO.5為發(fā)送節(jié)點地址標識；
DATA0.4～DATAO.1為數(shù)據(jù)功能標識
DATA0.0 0為擴展位，‘0’ 表明數(shù)據(jù)長度小于8不用擴展，‘1’ 表示數(shù)據(jù)長度大于8需要擴展DATA1作傳遞次數(shù)索引。
DATA1: DATAO.0為0時，傳遞數(shù)據(jù)；DATAO.0為1時，為數(shù)據(jù)傳遞次數(shù)的索引。