三、CAN總線通信系統(tǒng)的原理和方案

　　1.系統(tǒng)原理

　　CAN總線和總線上的各個CAN節(jié)點(diǎn)在具備完整的通信協(xié)

　　議下，一起構(gòu)成了CAN網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)設(shè)計兩個CAN節(jié)點(diǎn)進(jìn)行互相通信，其中采用瑞典Kvaser公司的KvaserLeafProfessional———CAN總線分析儀作為總線的一個節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信，同時檢測總線狀況，包括總線負(fù)載、信號幀的收發(fā)數(shù)量以及錯誤幀情況;另一個是基于52單片機(jī)自主開發(fā)的CAN節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對模擬信號的采集并轉(zhuǎn)化為CAN信號。該CAN節(jié)點(diǎn)能夠處理CAN總線上的數(shù)據(jù)，能夠?qū)AN2.0（A/B）協(xié)議進(jìn)行解析，并由硬件完成一些CAN基本功能，比如為接收到的CAN報

　　文提供一定大小的接收緩沖區(qū)、按照一定規(guī)則對接收到的數(shù)據(jù)完成ID濾波以及執(zhí)行CRC校驗(yàn)等等。每個CAN節(jié)點(diǎn)包括以下三個部分［3］：①微控制器負(fù)責(zé)完成CAN控制器的初始化，進(jìn)行與CAN控制器的數(shù)據(jù)傳遞，并按照預(yù)定的程序進(jìn)行處理;②CAN控制器主要負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)以CAN報文的形式傳遞，并進(jìn)行系統(tǒng)的診斷、測試以及處理CAN總線上的錯誤等;③CAN收發(fā)器是CAN控制器和CAN總線之間的接口，完成物理電平的轉(zhuǎn)換。

　　2.總體方案

　　較常見的CAN節(jié)點(diǎn)組成框圖如圖1所示。

　　圖1中方案1的一種經(jīng)典配置就是“51系列微控制器+獨(dú)立的CAN控制器SJA1000+高速CAN收發(fā)器TJA1050”［4］。此方案的優(yōu)點(diǎn)在于靈活性，設(shè)計者可以選用性價比最高、最適合實(shí)際用途的51系列微控制器。缺點(diǎn)就是硬件電路相對復(fù)雜，同下面的方案2相比，需要設(shè)計微控制器和CAN控制器之間的連接電路。

　　方案2采用的是“內(nèi)嵌CAN控制器的微控制器+高速CAN收發(fā)器TJA1050”［4］。其中，STM8A是ST公司一款性能出眾的帶片內(nèi)CAN控制器的微控制器。此方案的優(yōu)點(diǎn)在于電路設(shè)計簡單，由于將CAN控制器集成在微控制器片內(nèi)，這樣就減少了部分連接電路。此方案的缺點(diǎn)就是目前可供選擇的帶片內(nèi)CAN控制器的微控制器相對較少，用戶選擇余地不大。

　　由于STM8A芯片有128個引腳，其內(nèi)部的構(gòu)造比51系列單片機(jī)復(fù)雜，同時也需要專用的編譯器和調(diào)試工具，而且價格昂貴，給編程者的開發(fā)增加了難度，因此本系統(tǒng)的一個節(jié)點(diǎn)采用第一種方案。

　　另外一個節(jié)點(diǎn)采用瑞典Kvaser公司的KvaserLeafProfession-al，它是超高性能的USB接口單通道CAN總線分析儀，支持CAN協(xié)議，其MagiSync技術(shù)是Kvaser的國際核心專利技術(shù)之一。它能夠把多個CAN總線分析儀連接到同一臺PC機(jī)上，并通過Kva-serMagiSync技術(shù)同步各個CAN總線分析儀的時間標(biāo)簽，其靈活性特別適合多通道的應(yīng)用項(xiàng)目。每個CAN消息均標(biāo)有1μs精度的時間標(biāo)簽（timestamp），每秒可以處理高達(dá)20000個幀。

　　系統(tǒng)軟件選擇了虛擬儀器軟件LabVIEW。通過設(shè)計，軟件實(shí)現(xiàn)的功能為：（1）能夠全程實(shí)時監(jiān)控每個節(jié)點(diǎn)在總線上的通信情況，并能完整記錄、歷史回放。可設(shè)置總線波特率和發(fā)送各種數(shù)據(jù)幀，包括遠(yuǎn)程幀、標(biāo)準(zhǔn)幀、擴(kuò)展幀和錯誤幀。（2）具有判定、報警及統(tǒng)計功能，可根據(jù)檢測錯誤計數(shù)器來界定“錯誤激活”、“錯誤認(rèn)可”和“總線關(guān)閉”等三種故障。

　　四、硬件設(shè)計

　　本系統(tǒng)自主設(shè)計的CAN節(jié)點(diǎn)，采用89C52作為節(jié)點(diǎn)的微控制器。在CAN總線通信接口中，CAN通信的控制器采用SJA1000，CAN的收發(fā)器采用TJA1050。

　　圖2 CAN節(jié)點(diǎn)電路原理圖

　　圖2為CAN節(jié)點(diǎn)的硬件電路原理圖。從圖中可以看出，電路主要由五個部分所構(gòu)成：微控制器89C52、獨(dú)立CAN通信控

　　制器SJA1000、CAN總線收發(fā)器TJA1050、顯示電路和控制電路。微控制器89C52負(fù)責(zé)SJA1000的初始化，通過控制SJA1000實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務(wù)。SJA1000的AD0～AD7連接到89C52的P0口，CS連接到89C52的P2.0。P2.0為0時，CPU片外存儲器地址可選中SJA1000，CPU通過這些地址可對SJA1000執(zhí)行相應(yīng)的讀/寫操作。SJA1000的RD、WR、分別與89C52的對應(yīng)引腳相連接，INT接89C52的INT0，89C52也可通過中斷方式訪問SJA1000。

　　TJA1050與CAN總線的接口部分采用了一定的安全和抗干擾措施。TJA1050的CAN-H和CAN-L引腳各自通過一個5Ψ的電阻與CAN總線相連，電阻可起到一定的限流作用，保護(hù)TJA1050免受過流的沖擊。CANH和CANL與地之間并聯(lián)了兩個30P的小電容，可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的能力。

　　顯示電路通過使用四個七段管，并使用74LS138和74LS373進(jìn)行控制?？刂齐娐分饕伤膫€按鈕組成，分別對輸入信號、總線波特率、模式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)發(fā)送進(jìn)行控制。

　　硬件電路設(shè)計的時候，需注意的地方有：

　?。?）SJA1000與AT89C52的復(fù)位電路是不同的，單片機(jī)的RST是高電平有效的，而SJA1000的RST是低電平有效的，而且不是用一個非門把單片機(jī)的RST反相就可以的［5］。有兩種解決方式：第一種是使用單片機(jī)的IO引腳來控制SJA的復(fù)位引腳，優(yōu)點(diǎn)是單片機(jī)完全控制SJA的復(fù)位過程;第二種是使用微處理器電源監(jiān)控芯片MAX708，它可以提供兩種復(fù)位信號，可以滿足需要。

　?。?）SJA1000的CLKOUT引腳可以提供時鐘輸出信號，但是如果該信號作為AT89C52的時鐘信號，則容易出現(xiàn)問題，建議分別使用晶振。

　?。?）CAN-H與CAN-L之間需接120歐姆電阻。

　?。?）電路板中使用兩個9針串口，為的是方便于構(gòu)建一個CAN小網(wǎng)絡(luò)，并方便于接不同串口的CAN檢測儀。

　　五、 軟件設(shè)計

　　1. CAN節(jié)點(diǎn)的軟件部分設(shè)計

　　本節(jié)點(diǎn)的軟件編程主要包括單片機(jī)初始化、CAN控制器的初始化、CAN總線數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收等幾個部分。初始化設(shè)置主要包括通信的波特率的設(shè)置、報文濾波器的設(shè)置和輸出模式的設(shè)置。主程序的流程圖如圖3所示

圖3 主程序流程圖

　?。?）數(shù)據(jù)發(fā)送 將待發(fā)送的數(shù)據(jù)打包成符合CAN協(xié)議的幀格式后，便可寫入SJA1000發(fā)送緩沖區(qū)，并自動發(fā)送。圖4為發(fā)送子程序流程圖。在寫發(fā)送緩沖區(qū)前必須查詢其狀態(tài)，數(shù)據(jù)只能寫入空閑的發(fā)送緩沖區(qū)。發(fā)送大量數(shù)據(jù)時，這一步顯得尤其重要，否則發(fā)送可靠性將不能保證啟動發(fā)送命令后，只能通過查詢或配置發(fā)送成功中斷判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功。發(fā)送程序分發(fā)送遠(yuǎn)程幀和數(shù)據(jù)幀兩種，遠(yuǎn)程幀無數(shù)據(jù)場。

　　圖4 發(fā)送子程序流程圖

　　（2）數(shù)據(jù)接收 接收數(shù)據(jù)可采用查詢方式或中斷方式。在某一段時間內(nèi)，CAN總線并不是總是在活動，為了提高效率，可采用中斷方式在初始化程序中必須打開接收中斷。在中斷服務(wù)子程序中，判斷是否有接收中斷標(biāo)志，有則讀取接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。為了防止接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)溢出，可開辟一個循環(huán)接收數(shù)據(jù)隊(duì)列來暫時存儲數(shù)據(jù)，主程序則通過查詢該隊(duì)列來獲得總線數(shù)據(jù)。

　　2. 上位機(jī)程序設(shè)計

　　本系統(tǒng)的PC機(jī)端的軟件采用美國NI公司的圖形化編程語言LabVIEW平臺，該平臺是測控領(lǐng)域優(yōu)秀軟件，被譽(yù)為工程師的語言，可以加快產(chǎn)品開發(fā)速度。在該套測試系統(tǒng)中，采用順序結(jié)構(gòu)，并使用瑞典Kvaser公司提供的僅適用于Kvaser硬件的多個子VI，利用這些子VI建立控制模塊，并通過一定的邏輯關(guān)系聯(lián)系起來，完成對硬件的驅(qū)動、測量參數(shù)設(shè)定以及數(shù)據(jù)的采集和保存。

　　前面板一共有三部分：第一部分是CAN總線系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)配置，如圖5所示，其中包括連接在PC機(jī)上的通道選擇;總線通道的類型（單一、擴(kuò)展和虛擬通道）還包括總線的波特率以及總線狀態(tài)。第二部分為數(shù)據(jù)發(fā)送窗口，主要用于對所要發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行定義以及顯示總線是否有錯誤，如圖6所示，其中包括CAN數(shù)據(jù)幀的ID、數(shù)據(jù)長度控制字DLC、八個字節(jié)的數(shù)據(jù)以及幀類型的選擇：遠(yuǎn)程幀、標(biāo)準(zhǔn)幀、擴(kuò)展幀和錯誤幀。另外還可以顯示總線錯誤和錯誤源。該窗口負(fù)責(zé)總線上數(shù)據(jù)的傳輸，是整個程序中的核心部分。最后一部分是數(shù)據(jù)接收窗口，主要負(fù)責(zé)接收整個總線上的數(shù)據(jù)，當(dāng)點(diǎn)擊“GoBuson”之后，就可以自動接收數(shù)據(jù)，同時可以檢測接收錯誤。如圖7所示，其中包括了對數(shù)據(jù)的接收時間（以系統(tǒng)初始化為0時開始計時）、數(shù)據(jù)幀的ID、數(shù)據(jù)長度控制字以及8個字節(jié)的數(shù)據(jù)，用戶可以通過此窗口檢測總線狀況。

　　圖5 總線參數(shù)配置窗口 圖6數(shù)據(jù)發(fā)送窗口

　　圖7 數(shù)據(jù)接收窗口

　　后面板的程序流程圖主要是由瑞典Kvaser公司提供的大約四十二個針對本公司產(chǎn)品的CAN子VI程序，其中包括四類：

　　（1）CAN總線參數(shù)設(shè)置子VI：這些VI主要用于對CAN通道進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，其中包括CAN總線的初始化、CAN協(xié)議版本的選擇、波特率以及總線的幀類型選擇等等，還包括了Kvaser分析儀在LabVIEW下運(yùn)行的驅(qū)動程序。

　　（2）CAN總線數(shù)據(jù)寫入子VI：這些VI主要用于將CAN通道需要送出的數(shù)據(jù)打包成符合CAN協(xié)議的信息并發(fā)送到SJA1000的輸入緩存器。

　　（3）CAN總線數(shù)據(jù)讀出子VI：這些VI可以讀出CAN口緩存中的數(shù)據(jù)。其中還包括錯誤計數(shù)器、同步讀數(shù)據(jù)和定時器等。

　　（4）CAN總線關(guān)閉子VI：這些VI用于將打開的CAN口關(guān)閉。調(diào)用CAN子程序并按照CAN2.0的通信標(biāo)準(zhǔn)，利用G語言，完成通過LabVIEW軟件平臺進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)，圖8為程序流程圖。

　　六、總結(jié)

　　本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了將傳感器輸出的電壓信號轉(zhuǎn)化為CAN總線信號，并使用其中的一個字節(jié)表示其變化過程。將先進(jìn)的現(xiàn)場總線技術(shù)（CANBUS）應(yīng)用于智能的測量與通信系統(tǒng)，可以大大提高系統(tǒng)的可靠性。自主開發(fā)了符合國際標(biāo)準(zhǔn)的基于單片機(jī)的智能CAN節(jié)點(diǎn)，不僅大量節(jié)約了資金，而且可以根據(jù)不同的需要連接不同的傳感器，實(shí)現(xiàn)基于CAN總線的智能測量節(jié)點(diǎn)?；贚abVIEW的上位機(jī)提供了良好的人機(jī)界面，使操作更加方便、直觀。