CAN總線通信網絡智能節點的軟硬件設計

張春林，趙 麗

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033;2.長春職業技術學院，長春 130033)

0 引言

CAN總線是一種分布式控制或實時控制的串行通信網絡，許多的著名汽車制造廠、農用機械、數控機床、機械工業、機器人、紡織工業、醫療器械及傳感器等領域都采用CAN總線來實現總控制系統與各檢測機構和執行機構間的數據通信。由于采用了許多新技術及獨特的設計，CAN總線是唯一被國際標準化組織批準的現場總線，可實時、可靠、靈活進行數據通信［1］。

1 CAN總線通信系統的結構

CAN總線通信系統由CAN網絡節點、轉發器節點和上位機構成［2］。節點是網絡上信息的接收站和發送站，由于總線收發器物理信號驅動能力的限制，在一個CAN總線的網絡上，最多可掛接110個節點。所有智能節點由CAN總線連接成一個網絡體系，實現基本的控制功能。

2 CAN總線智能節點電路設計

2.1 微處理器與總線控制器的接口電路設計

CAN控制器SJA1000與微處理器的接口電路如圖1所示。采用STC89C51作為系統中的CAN總線智能節點的微處理器。STC系列單片機是美國STC公司最新推出的一種新型51內核的單片機，是新一代超強抗干擾、高速、低功耗的單片機［3］。

CAN總線控制器選用SJA1000，因其引腳和電氣參數與 CAN控制器PCA82C200兼容，能夠較好完成CAN總線通信。SJA1000具有兩種工作模式:BasicCAN模式和PeliCAN模式，有擴展的接收緩沖器64字節，先進先出(FIFO)，支持CAN2.0A和CAN2.0B協議，支持11位和29位標識碼，通信速率可達1Mbps，最大24MHz時鐘頻率，可與不同的微處理器接口，可編程的CAN輸出驅動器配置，溫度適應范圍大(-40～+125℃)。

因此將SJA1000的8位數據線連接到STC89C51的P0口，CS連接到 STC89C51的 P2.7，P2.7低電平有效，可選中SJA1000。SJA1000的RD、WR、ALE、分別與STC89C51的讀、寫和地址鎖存控制引腳相連，進而對SJA1000執行相應的讀/寫操作。

復位引腳連接到 STC89C51的 P2.2，SJA1000的復位過程可由單片機控制。SJA1000的 INT接STC89C51的中斷引腳 INT0，單片機可通過中斷方式訪問 SJA1000。VDD1、VDD2和 VDD3是輸入比較器5V電源的輸入端，VSS1、VSS2和VSS3是輸入比較器的接地端。X1和X2兩個引腳外接16M晶振。

2.2 CAN總線收發器和控制器接口電路設計

圖1 CAN控制器SJA1000與微處理器的接口電路

CAN總線收發器采用PCA 82C250。PCA82C250是CAN控制器與物理總線之間的接口，它最初是為在汽車中提供高速信號通信而設計的，82C250采用雙線差分驅動，驅動電路內部具有限流電路，可以防止發送輸出級對電源、地及負載短路。

為了保護MCU不受CAN總線上的干擾信號影響，在總線收發器與SJA1000中引入高速光電耦合器6N137進行系統隔離，如圖2所示，這樣的連接使兩端的電路較為獨立的工作，互不干擾，也能夠實現節點間的電氣隔離，增強了CAN總線節點的抗干擾能力，降低誤碼率，減少出錯重發的次數。為防止雷擊，起過壓保護的作用，PCA82C250的總線與地之間均反接一個保護二極管，兩根總線分別并聯了2個30pF的電容，可以抗高頻干擾和抑制電磁輻射。其中R12和R13為兩個120Ω的電阻，起到限流和保護作用。

圖2 CAN總線收發器與總線控制器的接口電路

6N137是一款高速光耦合器，是輸入輸出之間的轉換裝置。作為一款線性接收裝置，它突破了傳統線性裝置對環境的限制，更適應于噪聲環境。

兩個6N137的輸入端IN+分別接總線控制器和收發器的電源正極，5腳分別接電源地，IN-端接輸入信號，當有信號輸入時，受光器能夠接受到光線并產生光電流，從而在輸出端產生一定的電壓，實現了“電-光-電”轉換，起到了電氣隔離的作用。在輸出端與地之間接入15pF的電容來濾波。

3 CAN總線智能節點軟件設計

3.1 SJA1000初始化程序設計

上電后，單片機先進行上電復位操作，之后對相關的寄存器進行初始化設置。SJA1000只有工作在復位模式才能進行寄存器的狀態設置，在設置之前，必須首先對復位模式標識進行設置，在這之前，要先關閉SJA1000的中斷源，之后再進行相關寄存器的設置，其流程圖如圖3所示。

3.2 SJA1000報文發送子程序

可采用中斷方式或查詢的方式發送報文。在本系統中，采用查詢方式發送報文。發送時首先查詢一下上次報文是否發送完成，完成后判斷發送緩沖區是否鎖定，解鎖后將報文寫入SJA1000的發送緩沖器，再啟動發送命令，之后CAN控制器自動完成報文的發送。

3.3 SJA1000報文接收子程序

這里單片機采用外部中斷0來接收報文。這里采用外部中斷電平觸發的方式，在 SJA1000中，當一個報文被無誤地接收后，SJA1000便會向單片機發送一個低電平中斷信號，請求單片機接收報文，單片機則會在該中斷信號下產生一個INT0中斷。

進入中斷程序后，單片機首先判斷其中斷類型是否為接收中斷，其次判斷是否為合法中斷，如果是接收中斷，并且為合法中斷，系統將檢測該報文是否有效，如有效則進行報文接收［4］。系統將接收的報文暫時存儲在單片機的存儲單元中，接收后重新開放中斷。

圖3 SJA1000初始化程序流程圖

4 結語

本文主要介紹了CAN總線智能節點的軟硬件設計，采用單片機STC89C51作為微控制器，配合SJA1000獨立CAN總線控制器組成下位機實時通信的智能節點，保證了CAN總線網絡工作穩定性和實時性;系統進行了光電隔離，增強了系統的穩定性和可靠性。該系統能夠應用在醫療、汽車、農業、工廠等許多場合，應用范圍廣，推廣價值高。

［1］莫莉，張葉茂.基于CAN總線的嵌入式監控網絡智能節點設計［J］.輕工科技，2012(4):82-83.

［2］賈筱瑩，高沁翔.無功與諧波補償裝置CAN總線通信網絡設計［J］.電力通信系統，2005，26(9):44-46.

［3］肖林京，張瑞雪，常龍，等.基于CAN總線的礦用新能源電機車通信網絡設計［J］.測控技術，2013，32(5):64-66.

［4］祝敏.基于CAN總線的大棚溫濕度監控系統的設計［J］.自動化與儀器儀表，2010(1):57-60.