摘 要： 設計了一種基于CAN總線的PC機與單片機多點通信系統。系統包括PC機、STC89S52單片機、CAN接口控制器、串行收發器等。介紹了USB轉CAN通信接口的通信節點設計方案，給出了各通信節點的硬件電路和軟件設計，最后進行了系統通信實驗，結果表明該系統具有可靠性高、抗干擾能力強等特點。
關鍵詞： CAN總線；單片機；多點通信
0 引言
傳統的單片機串口通信中大多采用RS232或RS485串口，因其傳輸速率和距離（小于1.5 km）的限制，已漸漸不能滿足用戶系統需求，而CAN總線因其卓越的性能，被廣泛應用到汽車工業、自動控制、樓宇自動化、醫學設備等各個領域[1]。CAN（Controller Area Network，控制器局域網）屬于現場總線的范疇，是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，是國際上應用最廣泛的現場總線之一[2-3]。CAN可以組建多主對等的總線通信系統；具有非破壞性總線仲裁技術，讓優先級高的信息得到更快速的處理；具有強大的錯誤檢測機制，可以檢測到總線上的任何錯誤；采用短幀結構、位填充和CRC校驗等措施，使傳輸具有高可靠性。這些優點使得CAN總線特別適用于工業過程監控設備的互聯。在所有的CAN轉接口中，USB速度快，即插即用，使用更加廣泛，采用USB轉CAN總線實現單片機與上位機的通信具有一定的研究與應用意義[4]。
1 系統硬件設計
1.1 系統總體設計
系統的總體結構如圖1所示，硬件電路主要包括USB轉CAN通信接口以及各個通信節點，每個節點由CAN收發器TJA1050、CAN控制器SJA1000和單片機STC89S52組成，CAN總線兩端應串接120 ?贅的電阻，該電阻對于匹配總線阻抗起著重要作用。系統主要實現的功能為：PC機通過USB轉CAN通信接口向CAN總線發送一幀CAN總線數據，相應節點在接收到CAN消息后，存儲在SJA1000的接收緩沖區中，并向單片機發送中斷信號，單片機在中斷子程序中讀取SJA1000接收緩沖區中的數據，當需要向上位機發送數據時，先由單片機將一幀CAN消息寫入到SJA1000的發送緩沖區，再將其發送到CAN總線上，PC機調用接收子函數以實現CAN消息的接收。
1.2 USB轉CAN模塊硬件設計
該部分硬件框圖如圖2所示。此部分對應于圖1中的USB轉CAN通信接口模塊。USB控制芯片采用CP2102，該芯片是一種高度集成的USB轉UART橋接器，包含USB2.0全速功能控制器，符合USB2.0規范的要求。USB收發器內含512 B接收緩沖器和512 B發送緩沖器，振蕩器和帶有全部的調制解調器控制信號的異步串行數據總線，CP2102內置有與計算機通信的USB協議，PC機通過USB控制芯片CP2102向單片機發送CAN消息，再由單片機通過SJA1000將數據送到CAN總線上。所提供的COM口器件驅動器允許一個基于CP2102的產品作為PC機的一個COM口使用，可以像操作通用串行口的控制方式來使用這個COM口。
1.3 CAN模塊節點硬件設計
CAN節點的通信核心芯片為CAN控制器和CAN驅動收發器，各節點電路圖如圖3所示。CAN控制器SJA1000是一種獨立控制器，是PHILIPS半導體PCA82C200 CAN控制器（BasicCAN）的替代品，而且它增加了一種新的工作模式（PeliCAN），這種模式支持具有很多新特性的CAN2.0B協議[5-6]。TJA1050 符合ISO 11898標準，協議控制器通過一條串行數據輸出線TxD和一條串行數據輸入線RxD連接到收發器，而收發器則通過它的兩個有差動接收和發送能力的總線終端CANH和CANL連接到總線線路。它的引腳S用于模式控制，參考輸出電壓Vef提供一個Vcc/2的額定輸出電壓，這個電壓是作為帶有模擬Rx輸入的CAN控制器的參考電平。由于SJA1000具有數字輸入，因此它不需要這個電壓。收發器使用5 V的額定電源電壓。
微處理器采用STC公司生產的STC89S52，它是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8 KB Flash，512 B RAM，3個16位定時器/計數器，4個外部中斷[7]。
CAN控制器的CS片選端連接到單片機的通用I/O口上，由圖3可知SJA1000基址SJA_BaseAdr即為0x7F00，數據端AD0~AD7連接到單片機的P0.0~P0.7以實現數據的交換，SJA1000的INT是終端信號輸出端，在中斷允許的情況下，有中斷發生時，INT出現由高電平到低電平的跳變，因此此腳與單片機的外部中斷輸入腳INT0相連，從而使單片機可通過外部中斷的方式訪問SJA1000。
2 系統軟件設計
2.1 各節點單片機控制程序
單片機主函數流程如圖4所示。
這里單片機主要完成CAN控制器SJA1000的初始化，初始化程序中需要設置時鐘分頻寄存器、驗收代碼寄存器、驗收定時寄存器和總線定時寄存器，以及數據的接收和發送。首先，微處理器關閉SJA1000的中斷，然后寫SJA1000的模式寄存器，將模式寄存器中的RM位置1，進入復位模式，接下來在時鐘寄存器里確定使用BasicCAN模式還是PeliCAN模式，本系統采用了PeliCAN模式，驗收代碼寄存器和驗收屏蔽寄存器的設置決定了各個節點的地址，在通信過程中起到重要作用，可以讓單片機選擇性地接收響應節點CAN消息，通信波特率在總線定時寄存器BTR0和BTR1中進行設置，輸出寄存器配置輸出位流的電平驅動形式，通過中斷寄存器IR和中斷使能寄存器IER設置正確的中斷模式以實現CAN數據的正確收發處理，最后將模式寄存器RM位請求清0，進入工作模式。初始化程序的流程圖如圖5所示，關鍵部分程序如下：
EA=0；//關總中斷
BCAN_ENTER_RETMODEL（）；//進入復位模式
BCAN_CREATE_COMMUNATION（）；//接口檢測
BCAN_SET_OUTCLK（0x88）；//Pelican模式
BCAN_SET_OBJECT（0x01，0x01，0x00，0x20，0xff，0xff，0x00，0x00）；//驗收碼和屏蔽碼
BCAN_SET_BANDRATE（ByteRate_125k）；//設置波特率
REG_OCR=0x1a；//設置輸出控制寄存器
REG_INTENABLE=0x1D；//設置中斷，接收
BCAN_SET_CONTROL（0x08）；
SJA=REG_CONTROL；
*SJA=*SJA&0xfe；
if（*SJA!=0x00）
return 0；//退出復位模式
發送過程單片機將要發送的數據以CAN協議規定的幀格式構成數據幀，存入SJA1000的發送緩沖區，然后寫發送命令，在把數據寫入發送緩沖區前，先判斷SJA1000的工作狀態，再決定是否發送，其發送一個數據幀的過程如圖6所示，發送數據子程序如下：
Void SendMessage（unsigned char CAN_TX_data，unsigned char length1）
loop：
SJA=REG_STATUS；
temptt=*SJA；
if（（temptt&0x04）==0x00）goto loop；//循環檢測等待
{
SJA=REG_RXBuffer1；//發送緩沖區1
*SJA=length1；
*SJA=CAN_TX_data；
BCAN_CMD_PRG（TR_CMD）；//請求發送
}
接收數據采用接收中斷方式，單片機在中斷程序中從數據口讀取CAN消息，具有較高的實時性，接收數據子程序如下：
void ex0_int（void）interrupt 0 using 1
{
unsigned char tt，tt1，length，i；
SJA=REG_INTERRUPT；
if（（*SJA）&0x01）//產生接收中斷
{
SJA=REG_RXBuffer1；
tt=*SJA；
tt1=*SJA；
length=tt1&0x0F；
if （（tt&0x40）!=0x40）
//將幀格式設置為數據幀
{
SJA=REG_RXBuffer4；
memcpy（RevceData，SJA_BCANAdr，length）；
//將接收到的數據存入RevceData數組中
}
BCAN_CMD_PRG（RRB_CMD）；
//釋放SJA1000接收緩沖區
}
}
2.2 上位機軟件設計
上位機軟件基于C++語言，采用Windows API函數實現串口通信，API函數在通信任務較復雜的系統中具有優勢，適合多線程編程，且通信穩定，串口的打開、關閉、讀取和寫入所用的函數與操作文件的函數完全一致。通過調用CreateFile（）函數打開串口，CreateFile（）函數會返回一個句柄，在隨后的寫串口操作中，只需在WriteFile（）函數中設置相應的入口參數，將數據轉換成CAN消息格式并打包發送即可。讀串口操作則是通過ReadFile（）函數實現，對接收到的CAN消息數據包解包后提取出數據段，其上位機軟件工作流程如圖7所示，其中發送子程序關鍵部分程序如下：
CAN_msg msg；//CAN消息結構體，
//結構體成員包括CAN數據地址及類型等
CAN.SendCANMessage（&msg）；//發送CAN消息，
SendCANMessage（）函數定義如下：其中pMsg為CAN消息數據包，dwTimeout為超時時間，如果發送錯誤，系統將返回錯誤信息。
CAN_ERROR RT_CAN：：
SendCANMessage（CAN_msg*pMsg，DWORD dwTimeout）
{
if（pMsg==NULL）return CAN_ERR_PARAM；
if（pMsg->ch==CAN_CONFIG_CHANNEL）
return CAN_ERR_CHANNEL；
if（WritePackage（（BYTE*）pMsg，sizeof（CAN_msg），dwTimeout）==0）
return CAN_ERR_TRANS；
return CAN_OK；
}
接收子程序關鍵部分如下：
RecvCANMessage（CAN_msg*pMsg，DWORD dwTimeout）
{
if（pMsg==NULL）
return CAN_ERR_PARAM；
if（WAIT_TIMEOUT==WaitForSingleObject（m_hRecvMsgEvnet，dwTimeout））
return CAN_ERR_TIMEOUT；
*pMsg=m_CANRecvMsg；
return CAN_OK；
}
在數據發送或接收完畢后，調用CloseHandle（）函數關閉串口。上位機整體界面設計如圖8所示。
3 系統實驗
為驗證系統通信的可靠性和穩定性，實驗中擬將一幀CAN消息設置為ID：01（十六進制），消息長度為8，采用標準數據幀傳輸一個十六進制數據，下位機采用數碼管顯示的方式來判斷數據傳輸的正確性。當下位機接收到消息后，將會把此消息重新返回給上位機。經過幾次反復實驗，系統通信穩定、可靠。
4 結束語
由于CAN總線通信可靠、性能穩定，具有易開發和低成本等特點，近年來在自動控制等很多領域得到了越來越廣泛的應用。在一些復雜系統中，不可避免地存在多點通信的情況。本文設計的基于CAN總線的PC機與單片機多點通信系統，在所有的CAN轉接口中，通過USB連接到CAN總線，簡化了硬件接口，提高了開發效率，具有很好的應用前景。
參考文獻
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[4] 張念淮.USB總線接口開發指南[M].北京：國防工業出版社，2001.
[5] 孫兵，何瑾，陳廣廈.基于DSP的CAN總線與以太網互聯系統研制[J].儀器儀表學報，2008，29（2）：377-380.
[6] 王平，江華麗，何花.基于單片機的CAN總線通訊應用設計[J].電子測量技術，2009，32（9）：131-135.
[7] 郭天祥.新概念51單片機C語言教程[M].北京：電子工業出版社，2009.