無線CAN總線數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)的研究

吳偉斌 洪添勝 朱余清 葉 成 黎浩標(biāo) 何廣斌 許紹忠

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點實驗室1，廣東 廣州 510642;華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院2，廣東 廣州 510642)

0 引言

CAN總線起源于汽車電子系統(tǒng)，由于它在技術(shù)和性價比方面的獨特優(yōu)勢，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航天、電力、儀表、機(jī)器人等領(lǐng)域[1－2]。無線局域網(wǎng)作為無線通信技術(shù)之一，其發(fā)展迅速，是當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一個主要潮流，可廣泛應(yīng)用于無線辦公、無線醫(yī)院、無線校園、無線社區(qū)等場合，目前已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域[3]。

采用傳統(tǒng)的有線方式連接各個CAN總線節(jié)點實現(xiàn)通信的方法存在布線和設(shè)備使用不便等缺點。為了不采用有線介質(zhì)實現(xiàn)CAN總線節(jié)點之間的有效通信，可以采用無線通信技術(shù)[4]。無線通信技術(shù)的種類多樣，其中無線局域網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)簡單，能夠快速地搭建網(wǎng)絡(luò)，技術(shù)比較成熟。因此，運用無線局域網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)的無線傳送[5]在當(dāng)前具有重大的應(yīng)用價值。目前，無線 CAN 總線的研究還比較少[6－9]，但需求量卻越來越大。本文對簡易通用的無線CAN總線系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

1 總體方案的確定

本文所述無線CAN系統(tǒng)由兩個控制節(jié)點組成，其功能框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能框圖Fig.1 Block diagram of system function

圖1中，虛線箭頭表示無線通信。

在工作過程中，系統(tǒng)的兩個節(jié)點都在不斷地監(jiān)測自身連接的CAN總線網(wǎng)絡(luò)，在將正確接收到的CAN報文通過無線方式發(fā)送到另一模塊的同時，也會接收來自另一模塊的無線CAN報文;然后將這些報文發(fā)送到自身連接的CAN總線網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)的無線傳送。兩個CAN總線網(wǎng)絡(luò)無需通過有線介質(zhì)就能實現(xiàn)通信。

系統(tǒng)的兩個節(jié)點構(gòu)造相同，主要由微控制器STC12C5410AD、CAN總線控制器MCP2515、CAN總線收發(fā)器MCP2551和射頻無線模塊RF903組成。系統(tǒng)軟件主要是對微控制器STC12C5410AD進(jìn)行編程控制，包括初始化程序、CAN報文發(fā)送程序、CAN報文接收程序、無線發(fā)送程序和無線接收程序。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計與分析

本系統(tǒng)選用STC12C5410AD單片機(jī)作為微控制器，它是宏晶科技生產(chǎn)的一款單時鐘/機(jī)器周期的單片機(jī)。MCP2515是一款為簡化連接CAN總線的應(yīng)用而開發(fā)的獨立CAN控制器，完全支持CAN V2.0B技術(shù)規(guī)范;MCP2551是一個可容錯的高速CAN器件，可作為CAN協(xié)議控制器和物理總線接口;RF903是一款高性能射頻通信模塊。

2.1 CAN 控制電路

CAN控制電路負(fù)責(zé)進(jìn)行CAN報文的接收和發(fā)送，主要由主控制器STC12C5410AD、CAN控制器MCP2515和CAN收發(fā)器MCP2551組成，主要電路如圖2所示。其中，STC12C5410AD連接電源端(28腳)、地端(14腳)和外部振蕩電路即可正常工作。

圖2 CAN控制電路圖Fig.2 CAN control circuit

MCP2515與STC12C5410AD通過6條連接線進(jìn)行通信。MCP2515由 SPI接口控制，而 STC12C5410AD自帶SPI接口，可以將 MCP2515的 SPI接口的 SCK、SO、SI、CS這4個引腳分別連接到 STC12C5410AD的P1.7、P1.6、P1.5、P1.4。MCP2551 通過 TXD 和 RXD 引腳分別與MCP2515的TXCAN和RXCAN連接，進(jìn)行CAN報文的發(fā)送和接收。

2.2 編碼開關(guān)電路

編碼開關(guān)S1電路用于采集編碼信息及設(shè)置CAN總線的波特率。電路主要由一個10 kΩ排阻(P6)和一個編碼開關(guān)組成，開關(guān)電路如圖3所示。

圖3 編碼開關(guān)電路圖Fig.3 Encoding switch circuit

編碼開關(guān)S1內(nèi)部有4個開關(guān)，各個開關(guān)的其中一端分別連接到STC12C5410AD的P2端口的高4位，另一端接地。當(dāng)開關(guān)不閉合時，由于端口通過上拉電阻接到電源端，呈現(xiàn)高電平;當(dāng)開關(guān)閉合時，端口與地線相連，電平被拉低。

2.3 RF903 控制電路

RF903控制電路由電壓轉(zhuǎn)換電路和RF903接口組成，其電路如圖4所示。

圖4 RF903控制電路圖Fig.4 RF903 control circuit

由于RF903模塊的工作電壓是2.2～3.6 V、其他器件的工作電壓是5 V，所以需要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。圖4中的AMS1117是一個穩(wěn)壓芯片，它用于將5 V電壓穩(wěn)壓在3.3 V左右。RF903同樣也通過SPI來控制，其SPI引腳連接到STC12C5410AD的SPI接口上。由于SDIO引腳是SPI雙向數(shù)據(jù)線，所以在與STC12C5410AD的MISO和MOSI連接時要添加一個1 kΩ電阻，以避免2個端口互相影響。IRQ引腳連接到STC12C5410AD的外部中斷1，以便進(jìn)行中斷控制。P3是RF903的接口。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計與分析

系統(tǒng)的軟件設(shè)計在集成編譯環(huán)境中完成。本系統(tǒng)選用了宏晶科技的微控制器STC12C5410AD作為主控芯片，其編譯、調(diào)試工作在Keil C51軟件開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行。本系統(tǒng)配置了與宏晶科技微控制器配套的STCISP軟件。該軟件負(fù)責(zé)將編譯好的程序下載到微控制器STC12C5410AD中。

系統(tǒng)的總體運行過程由主函數(shù)控制。主函數(shù)是一個循環(huán)體，其控制過程具體如下。

系統(tǒng)啟動時先進(jìn)行初始化，然后判斷RF903是否收到無線數(shù)據(jù)。如果收到無線數(shù)據(jù)，則啟動無線接收程序，然后啟動CAN報文發(fā)送程序，將CAN報文發(fā)送到CAN總線上，接著返回繼續(xù)檢測是否收到CAN報文。如果RF903沒有收到無線數(shù)據(jù)，則直接檢測是否收到CAN報文。如果收到CAN報文，就啟動CAN報文接收程序，然后啟動無線發(fā)送程序，將CAN報文通過RF903發(fā)送到另一端，最后返回重新檢測;如果沒有收到CAN報文，就直接返回重新檢測。檢測的過程可以由中斷控制，從而降低控制器成本。

①初始化程序

先對STC12C5410AD進(jìn)行初始化，包括中斷設(shè)置和SPI的相關(guān)設(shè)置。然后采集編碼信息，以便后續(xù)對CAN波特率進(jìn)行設(shè)置。對MCP2515進(jìn)行初始化時，首先對其進(jìn)行復(fù)位操作并設(shè)置為配置模式，同時設(shè)置接收中斷，從而使微控制器能夠及時進(jìn)行CAN報文的接收。CAN報文有標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展兩種類型，為了不丟失報文，MCP2515同時接收這兩種類型的報文。然后，讓其進(jìn)入正常工作模式。初始化RF903前也要對其進(jìn)行復(fù)位操作，并設(shè)置工作頻率和工作模式。由于最長的CAN報文只占用13 B，所以可以將數(shù)據(jù)包長度設(shè)為13 B。每個RF903模塊都有自身的地址，設(shè)置地址用以區(qū)別其他模塊，然后對其接收和發(fā)送指針進(jìn)行復(fù)位。初始化的最后步驟要將RF903設(shè)置為接收狀態(tài)，以進(jìn)行接收監(jiān)測。

②CAN總線報文發(fā)送程序

CAN報文發(fā)送程序是對MCP2515進(jìn)行發(fā)送控制。首先判斷發(fā)送緩沖器是否為空，如果不為空，就不能對其進(jìn)行寫入。MCP2515有3個發(fā)送緩沖器，分別是TX2、TX1和TX0。其中，TX2的優(yōu)先級最高，它的報文會被優(yōu)先發(fā)送;TX0的優(yōu)先級最低。當(dāng)檢測到某一緩沖器為空時，就可以清除其中斷標(biāo)志，然后將CAN報文裝載進(jìn)入，最后啟動發(fā)送命令。啟動發(fā)送命令后，該程序即結(jié)束。

③CAN總線報文接收程序

當(dāng)MCP2515產(chǎn)生接收中斷時，微控制器就要開啟CAN報文接收程序。開始接收報文時，要檢測中斷標(biāo)志位，以確定是哪個接收緩沖器產(chǎn)生接收中斷。MCP2515有RX0和RX1兩個接收緩沖器，其中RX0的優(yōu)先級較高。由于接收緩沖器存在優(yōu)先級，所以不存在兩個接收緩沖器同時產(chǎn)生中斷的情況，每次接收中斷只會由其中的一個接收緩沖器產(chǎn)生。

④無線發(fā)送程序

當(dāng)接收完CAN報文后，就要執(zhí)行無線發(fā)送程序，將CAN報文發(fā)送出去。發(fā)送前先復(fù)位發(fā)送指針，然后寫入接收機(jī)的地址。不同的地址對應(yīng)不同的RF903模塊。寫入數(shù)據(jù)后令RF903進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)，自動將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。待數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，將RF903的狀態(tài)設(shè)為接收狀態(tài)，進(jìn)行自動監(jiān)測，并等待接收無線CAN報文。

⑤無線接收程序

當(dāng)RF903接收到無線CAN報文后，微控制器就要執(zhí)行無線接收程序，讀取并暫存數(shù)據(jù)，并將報文發(fā)送到CAN總線網(wǎng)絡(luò)。在復(fù)位接收指針后要對數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗檢測，如果校驗錯誤，說明接收的數(shù)據(jù)有錯，應(yīng)該放棄接收;只有校驗正確的數(shù)據(jù)才會被接收。讀取數(shù)據(jù)前先發(fā)送讀數(shù)據(jù)命令，然后就可以將數(shù)據(jù)讀取到微控制器內(nèi)暫存。讀取數(shù)據(jù)完成后，為避免丟失需要接收的數(shù)據(jù)，應(yīng)重新設(shè)定RF903模塊，以確保其能進(jìn)入接收狀態(tài)，并進(jìn)行實時監(jiān)測。

4 系統(tǒng)測試與分析

4.1 測試選用材料與儀器設(shè)備

測試儀器設(shè)備主要包括以下幾種。

① Kvaser USBCAN II是瑞典Kvaser公司開發(fā)的專業(yè)CAN總線分析儀。它與Kvaser公司開發(fā)的CAN總線數(shù)據(jù)測試軟件CanKing結(jié)合使用能夠檢測和發(fā)送符合CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的信號，并在計算機(jī)顯示器上加以顯示，從而便于對CAN報文的各部分進(jìn)行分析。

②CAN節(jié)點模塊XhoCAN，該模塊可以收發(fā) CAN總線報文。

③自主開發(fā)的系統(tǒng)電路板兩塊。

④計算機(jī)一臺、導(dǎo)線若干。

4.2 測試過程與步驟

測試過程與步驟具體如下。

① 將 Kvaser USBCAN II與計算機(jī)相連，打開CanKing軟件，將CAN通信波特率設(shè)置為500 kbit/s。

②將Kvaser USBCAN II的CAN接口與CAN節(jié)點模塊的CAN接口相連，啟動CanKing軟件接收CAN節(jié)點模塊發(fā)出的CAN報文。

③將CAN節(jié)點模塊的CAN接口與本系統(tǒng)其中一個模塊的CAN接口相連，然后將Kvaser USBCAN II的CAN接口與本系統(tǒng)另一個模塊的CAN接口相連。通過CanKing測試CAN節(jié)點模塊發(fā)送的CAN報文，并將它和直接測試的報文進(jìn)行對比。

④將Kvaser USBCAN II的CAN接口與本系統(tǒng)其中一個模塊的CAN接口相連，然后將CAN節(jié)點模塊的CAN接口與本系統(tǒng)另外一個模塊的CAN接口相連，并將CAN節(jié)點模塊通過串口與電腦相連，同時打開CanKing軟件的報文發(fā)送窗口。在發(fā)送窗口中設(shè)置好報文標(biāo)志符、數(shù)據(jù)長度和各個數(shù)據(jù)后，按下“Send”鍵，將CAN報文通過本系統(tǒng)發(fā)送到CAN節(jié)點模塊，CAN節(jié)點模塊會將接收到的報文通過串口發(fā)送到計算機(jī)，并在STC-ISP顯示收到的數(shù)據(jù)。

⑤設(shè)置不同的報文信息，將重復(fù)多次發(fā)送不同的報文與原來設(shè)定的報文進(jìn)行比較。

4.3 軟件設(shè)計

4.3.1 Kvaser USBCAN II的接收測試

Kvaser USBCAN II的接收測試步驟如下。

①直接進(jìn)行測試時的數(shù)據(jù)

在4.2章節(jié)的測試步驟②中，通過 Kvaser USBCAN II對 CAN節(jié)點模塊直接進(jìn)行測試時，在CanKing軟件中測試 CAN報文。其中，“Chn”指Kvaser USBCAN II的測試通道。“Identifier”是報文標(biāo)志符，簡稱ID。“Flg”指示報文是標(biāo)準(zhǔn)幀還是擴(kuò)展幀，顯示“X”時為擴(kuò)展幀，沒顯示“X”時為標(biāo)準(zhǔn)幀。“DLC”指示數(shù)據(jù)長度，“D1”～“D7”是數(shù)據(jù)場的8 B數(shù)據(jù)。“Time”顯示接收到報文的時間。“Dir”指示Kvaser USBCAN II的工作模式，接收時為“R”，發(fā)送時為“T”。數(shù)據(jù)窗口的數(shù)據(jù)是以十進(jìn)制的形式顯示的。

②連接無線CAN系統(tǒng)進(jìn)行測試時的數(shù)據(jù)

在4.2章節(jié)的測試步驟③中，采用 Kvaser USBCAN II對CAN節(jié)點模塊CAN報文進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)的模塊也主要用來發(fā)送3個固定標(biāo)志符的CAN報文。測試到標(biāo)志符為180093185、347604230和356516355的3個報文。對于同一個標(biāo)志符的報文，若測試步驟②和步驟③測試的結(jié)果從“Flg”到“D7”每個位置的數(shù)據(jù)都相同，則步驟②和步驟③的測試結(jié)果是相同的，說明CAN節(jié)點模塊可以通過本系統(tǒng)將報文發(fā)送到其他節(jié)點。

4.3.2 Kvaser USBCAN II的發(fā)送測試

Kvaser USBCAN II的發(fā)送測試步驟具體如下。

①通過CanKing軟件發(fā)送預(yù)定義的報文數(shù)據(jù)

在4.2章節(jié)的測試步驟④和步驟⑤中，通過CanKing軟件的發(fā)送窗口預(yù)定義了10個CAN報文，并將它們發(fā)送到本系統(tǒng)的其中1個模塊。試驗結(jié)果表明，10個CAN報文的標(biāo)志符和數(shù)據(jù)場都不相同，有些是標(biāo)準(zhǔn)幀，有些是擴(kuò)展幀。

②通過STC-ISP顯示接收到的報文數(shù)據(jù)

在4.2章節(jié)的測試步驟④和步驟⑤中，通過STPISP將CAN節(jié)點模塊接收到的報文信息加以顯示，結(jié)果顯示有10行數(shù)據(jù)，每行表示一個報文，分別對應(yīng)通過CanKing軟件預(yù)定義的10個報文，數(shù)據(jù)以十六進(jìn)制形式顯示。報文的第一列表示從MCP2515的“接收緩沖器標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)志符高位”寄存器讀取的數(shù)據(jù)，第二列表示從MCP2515的“接收緩沖器標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)志符低位”寄存器讀取的數(shù)據(jù)，第三列表示從MCP2515的“接收緩沖器擴(kuò)展標(biāo)志符高位”寄存器讀取的數(shù)據(jù)，第四列表示從MCP2515的“接收緩沖器擴(kuò)展標(biāo)志符低位”寄存器讀取的數(shù)據(jù)，第五列表示從MCP2515的“接收緩沖器數(shù)據(jù)長度碼”寄存器讀取的數(shù)據(jù)，第六列至第十三列分別表示從MCP2515的8個“接收緩沖器數(shù)據(jù)段字節(jié)”寄存器讀取的數(shù)據(jù)。

為更好地分析報文的標(biāo)志符、數(shù)據(jù)長度和各個數(shù)據(jù)段字節(jié)，將各個報文轉(zhuǎn)換成更直觀的信息，具體如表1所示。

以報文1、報文3和報文5為例，將通過CanKing軟件預(yù)定義的報文與STC-ISP顯示的報文進(jìn)行對比，對比結(jié)果如表2所示。

表2 報文對比表Tab.2 Inter-comparison of the messages

表2表明，2種方式顯示的3個報文的標(biāo)志符分別為170、256和135。對于同一個標(biāo)志符的報文，3種方式顯示的結(jié)果從“Flg”到“D7”的每個位置的數(shù)據(jù)都相同，則這2種方式對這3個報文的顯示結(jié)果是相同的。用相同的方法將其他報文進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)，這2種方式顯示的其他報文信息也是相同的，說明可以采用CanKing軟件通過本系統(tǒng)將報文發(fā)送到其他節(jié)點。

整個測試過程表明，本系統(tǒng)可以運用CAN總線分析儀Kvaser USBCAN II進(jìn)行CAN報文的收發(fā)。本系統(tǒng)傳送的報文錯誤率為0，能夠?qū)AN節(jié)點發(fā)送的報文傳送到另一端的CAN節(jié)點。本系統(tǒng)的通信符合CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，可與其他符合CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)相連，實現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)的無線傳送。該系統(tǒng)可以應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)等信息傳輸領(lǐng)域。

5 結(jié)束語

運用無線局域網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了CAN總線數(shù)據(jù)的無線傳送系統(tǒng)構(gòu)建。CAN總線數(shù)據(jù)無線傳送系統(tǒng)由2個節(jié)點組成，每個節(jié)點在不斷地監(jiān)測自身連接的CAN總線網(wǎng)絡(luò)，并將正確接收到的CAN報文通過無線方式發(fā)送到另一節(jié)點。系統(tǒng)的軟件采用C語言編寫，模塊化的軟件設(shè)計具有良好的可靠性及可移植性。系統(tǒng)無須改變硬件結(jié)構(gòu)，只需對程序進(jìn)行修改即可實現(xiàn)無線通信。系統(tǒng)的通信符合CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，可與其他符合CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)相連，以實現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)的無線傳送。通過CAN總線分析儀Kvaser USBCAN II，可實現(xiàn)對CAN報文的收發(fā)。

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