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1 CAN總線的特點
CAN（Controller Area Network）總線協(xié)議最初是德國BOSCH公司開發(fā)的，它是一種支持分布式實時控制系統(tǒng)的串行通信局域網(wǎng)。目前，CAN總線以其高性能、高可靠性、實時性等優(yōu)點，而被廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中的檢測和執(zhí)行機構(gòu)之間的數(shù)據(jù)通信中。CAN總線具有以下一些技術(shù)特性：
(1) 多主方式工作，采用非破壞性的基于優(yōu)先權(quán)的總線仲裁技術(shù)；
(2) 借助接收濾波可實現(xiàn)多地址的幀傳送；
(3) 數(shù)據(jù)采用短幀結(jié)構(gòu)，抗干擾性強，數(shù)據(jù)幀的信息CRC校驗及其它錯誤檢測措施完善；
(4) 發(fā)送期間丟失仲裁或由于出錯而遭破獲的幀可以自動重發(fā)；
(5) 嚴(yán)重錯誤時可自動關(guān)閉總線功能，以使總線其它操作不受影響。
CAN總線符合ISO11989標(biāo)準(zhǔn)，最大傳輸速率為1MB/s時，傳輸距離最大為40m；傳輸速率為5KB/s時的最大傳輸距離為10km。CAN總線的傳輸介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜等。由于CAN總線是一種很有發(fā)展前景的現(xiàn)場總線，因此，得到了國際上很多大公司的支持，加之基于CAN總線的硬件接口簡單，編程方便，系統(tǒng)容易集成。因此，它特別適用于系統(tǒng)分布比較分散、實時性要求高、現(xiàn)場環(huán)境干擾大的場合。
2 本項目概述及系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
上海大眾汽車有限公司的技術(shù)中心有各種各樣汽車零部件試驗設(shè)備100余臺，且分布在相隔較遠的不同試驗區(qū)域，許多試驗設(shè)備（如高低溫環(huán)境模擬試驗箱、振動試驗臺，各種零部件疲勞耐久試驗臺等）需要24小時連續(xù)不間斷地運行，為了更好地設(shè)計開發(fā)汽車零部件，需要對試驗過程中試驗臺架運行情況進行記錄，因此如何集中地監(jiān)控，管理這些試驗設(shè)備的運行顯得頗為重要。
圖1 系統(tǒng)總體框圖
在此以每臺試驗設(shè)備為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，用雙絞線架構(gòu)CAN總線設(shè)備網(wǎng)，對每個節(jié)點實時地采集數(shù)據(jù)，輸出控制。設(shè)備網(wǎng)的固定節(jié)點（地址為00號）同時作為網(wǎng)關(guān)，通過這臺通用PC服務(wù)器終端將CAN-BUS網(wǎng)絡(luò)連至以太網(wǎng)，由以太網(wǎng)架構(gòu)信息網(wǎng)，在PC服務(wù)器終端平臺上用VB或VC++ 開發(fā)用戶層的應(yīng)用程序，用來監(jiān)控各個試驗臺架的運行情況，并創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫記錄下各個CAN節(jié)點設(shè)備的數(shù)據(jù)。使得每個零部件設(shè)計工程師通過連至以太網(wǎng)上的辦公電腦在辦公室里就可以訪問PC服務(wù)器終端，獲取所需的零部件試驗設(shè)備運行情況數(shù)據(jù)，從而更好地對零部件試驗結(jié)果進行分析。
3 CAN總線設(shè)備網(wǎng)與以太信息網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)
連接CAN總線設(shè)備網(wǎng)與以太信息網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)是一臺通用PC終端。在通用PC終端中安裝1個標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口卡和1個USBCAN-I接口卡，這樣就能方便地實現(xiàn)一個連接CAN總線設(shè)備網(wǎng)與以太信息網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)。
應(yīng)用程序開發(fā)可以使用VB或VC++等高級語言在PC平臺上實現(xiàn)，應(yīng)用程序是一個WIN3監(jiān)控程序及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫（記錄CAN節(jié)點設(shè)備數(shù)據(jù)）的軟件。所有的CAN總線節(jié)點組成一個虛擬網(wǎng)段，CAN設(shè)備管理服務(wù)器是公司以太網(wǎng)中的任一節(jié)點。連在以太網(wǎng)上的WinNT服務(wù)器安裝專用網(wǎng)絡(luò)管理軟件，就可讓合法的工程技術(shù)人員遠程管理CAN總線節(jié)點設(shè)備；通過以太網(wǎng)，可同CAN總線節(jié)點設(shè)備進行數(shù)據(jù)通信。這樣，服務(wù)器就可以使用WEB發(fā)布方式，向網(wǎng)絡(luò)客戶提供動態(tài)交互式瀏覽網(wǎng)頁等功能。
4 CAN 節(jié)點的設(shè)計
4.1 CAN節(jié)點的硬件設(shè)計
本CAN節(jié)點的電路原理簡圖如圖2所示。該電路的三個核心器件是單片機ADμC812、CAN總線控制器SJA1000和CAN總線驅(qū)動器PCA82C250。
圖2 硬件電路原理簡圖
ADμC812是高度集成、高精度12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該產(chǎn)品在其內(nèi)核中集成了帶有片內(nèi)可重編程非易失性閃速/電擦除程序存儲器的高性能8位（與8051兼容）MCU和多通道（8個輸入通道）12位ADC。由于ADμC812只需要通過其串口模塊和計算機的串口進行連接，而不需要額外的仿真器，因而可利用ADI公司的QUICKSTART軟件來實現(xiàn)程序的在線下載、在線調(diào)試和在線仿真，從而極大地提高了工作效率。這也是本設(shè)計使用MAX232的原因。
SJA1000作為微控制器的片外擴展芯片，其片選引腳CS應(yīng)接在微控制器的P2.0上，以用于決定CAN控制器各寄存器的地址。SJA1000通過CAN總線驅(qū)動器PCA82C250連接在物理總線上。PCA82C250器件可提供對總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接受能力，它同時完全和“ISO11898”標(biāo)準(zhǔn)兼容。由于通信信號傳輸?shù)綄?dǎo)線的端點時會發(fā)生反射，而且反射信號會干擾正常信號的傳輸，因此，總線兩端應(yīng)接有終端電阻R1、R2，以消除反射信號，其阻值應(yīng)當(dāng)與傳輸電纜的特性阻抗大致相當(dāng)。
4.2 CAN節(jié)點的軟件設(shè)計
本節(jié)點的軟件編程主要包括A/D轉(zhuǎn)換（ADC）、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。主程序的流程圖如圖3所示。
圖3 主程序流程圖
下面分別對這幾個主要部分的程序設(shè)計做一介紹。
(1) A/D轉(zhuǎn)換部分
筆者在本設(shè)計中采用的是單步A/D轉(zhuǎn)換模式，并將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果存入指定的數(shù)據(jù)存儲區(qū)。具體步驟如下：
① 通過設(shè)置ADC控制寄存器（ADCCON1和ADCCON2）的值來確定A/D轉(zhuǎn)換的工作狀態(tài)和采樣通道號；
② 使能ADC中斷，置位SC位以啟動單步A/D轉(zhuǎn)換；
③ 等待響應(yīng)ADC中斷，并進入中斷服務(wù)程序；
④ 把采樣所得的數(shù)據(jù)從ADCDATAL和ADC-DATAH兩個特殊寄存器中取出，并存入預(yù)設(shè)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器中，然后退出中斷服務(wù)程序；
⑤ 判斷所需通道是否采樣完畢，如果未完成，則設(shè)置采樣通道號并返回步驟②，若完成則退出A/D轉(zhuǎn)換子程序。
通過該程序可隨時根據(jù)實際需要更改采樣通道數(shù)，并將采樣結(jié)果直接存入指定數(shù)據(jù)存儲區(qū)，以為今后向CAN總線發(fā)送所得數(shù)據(jù)提供便利。
(2) SJA1000的初始化
CAN的通信協(xié)議主要是由CAN控制器完成的，因此，要想實現(xiàn)CAN節(jié)點的數(shù)據(jù)傳送，對CAN控制器的初始化是十分關(guān)鍵的。這個步驟直接決定著該CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)各節(jié)點所共同遵守的協(xié)議。對SJA1000進行初始化實際上就是通過單片機向其片內(nèi)的各個寄存器寫入控制字的過程，其寄存器包括以下幾個：
REG CONTROL―內(nèi)部控制寄存器地址；
REG COMMAND―內(nèi)部命令寄存器地址；
REG STATUS―內(nèi)部狀態(tài)寄存器地址；
REG INTERRUPT―內(nèi)部中斷寄存器地址；
REG ACR―內(nèi)部驗收代碼寄存器地址；
REG AMR―內(nèi)部驗收屏蔽寄存器地址；
REG BTR0―總線定時寄存器0；
REG BTR1―總線定時寄存器1；
REG OCR―輸出控制寄存器。
其中：BTR0、BTR1寄存器的內(nèi)容可用于決定系統(tǒng)通信的波特率和CAN協(xié)議物理層中的同步跳轉(zhuǎn)寬度，因此，對于一個系統(tǒng)中的所有節(jié)點，這兩個寄存器的內(nèi)容必須相同（包括上位機），否則將無法進行通信；OCR寄存器的內(nèi)容用于決定CAN控制器的輸出方式；而寫入ACR、AMR寄存器的內(nèi)容則要根據(jù)實際的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和報文標(biāo)志符來決定。本設(shè)計中筆者采用的是BasicCAN模式。
完成初始化后，CAN控制器就能正常運行了，但是要實現(xiàn)具體的數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)，還必須編制特定的收、發(fā)程序。
(3) CAN總線數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收
① 發(fā)送部分的程序設(shè)計
圖4 發(fā)送部分子程序流程圖 圖5 數(shù)據(jù)接收部分子程序流程圖
用CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)的流程圖如圖4所示。實際上，在程序運行過程中，常常會在發(fā)送某一幀數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)上一幀的數(shù)據(jù)還沒有完全發(fā)送完畢（可以通過查詢狀態(tài)寄存器REG STATUS的第4位BIT TCS的顯、隱狀態(tài)，可了解上次數(shù)據(jù)的發(fā)送情況）。因此，筆者采用的處理方法是：通過指令啟動本次發(fā)送之后，就不停地查詢狀態(tài)寄存器，以判斷本次發(fā)送是否完成，直到確定完成為止。這樣可以為下次發(fā)送提供便利，同時也有利于程序的順利執(zhí)行，從而避免出現(xiàn)錯誤。
② 接收部分的程序設(shè)計
圖5所示是該系統(tǒng)接收部分的軟件流程圖。實際上，在對響應(yīng)速度要求不太高的場合，以查詢方式來設(shè)計接收子程序是最簡單、最可靠的方式。如果總線上有數(shù)據(jù)發(fā)往本節(jié)點，則通過查詢狀態(tài)寄存器的第1位BIT_RBS的位狀態(tài)，便可得知接收緩沖區(qū)（RXFIFO）中的可用信息，然后通過軟件將RXFIFO中的數(shù)據(jù)逐個“移入”到指定的片內(nèi)存儲空間即可。對于這樣一個主要以數(shù)據(jù)采集功能為主的CAN節(jié)點，這些數(shù)據(jù)多半是由CAN網(wǎng)絡(luò)中的“控制中心”發(fā)來的控制信號，設(shè)計時把它們留給ADμC812進一步處理就可以了。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號