基于CAN總線的通信模塊組網(wǎng)設計

鄭州市信息技術學校電子信息技術部 孫嫻

河南工程學院電氣信息工程系 王剛

基于CAN總線的通信模塊組網(wǎng)設計

鄭州市信息技術學校電子信息技術部 孫嫻

河南工程學院電氣信息工程系 王剛

控制器局域網(wǎng)CAN（ControllerAreaNetwork）是一種標準化的現(xiàn)場總線，其結構支持分布式數(shù)據(jù)通信和實時控制的串行通信網(wǎng)絡。目前，CAN協(xié)議已被制定為ISO國際標準（ISO11898），它分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層，其中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議已集成在產品的芯片中，可以依靠硬件實現(xiàn)自動傳送數(shù)據(jù)，減少了軟件程序編寫的工作量。因此，CAN總線尤其適用于工業(yè)控制自動化領域，特別是在對低層監(jiān)測和控制要求可靠性高、實時性強的惡劣條件下的工業(yè)控制現(xiàn)場的應用。

一、CAN總線的通信模型

基于CAN總線構建的通信網(wǎng)絡，是嚴格遵守開放系統(tǒng)互聯(lián)的規(guī)范實現(xiàn)層次結構設計的。作為工業(yè)現(xiàn)場測控底層網(wǎng)絡，其間的數(shù)據(jù)傳輸量相對較少，對信息傳輸?shù)膶崟r性要求較高，網(wǎng)絡互聯(lián)結構也較簡單，因此，CAN總線網(wǎng)絡在低層僅僅采納了OSI通信模型的最低2層，即物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，而在高層只采用了應用層。CAN總線的數(shù)據(jù)鏈路層又可分為邏輯鏈路控制（LLC）子層和媒體訪問控制（MAC）子層。物理層定義信號怎樣傳輸，并完成網(wǎng)絡設備通信間的電氣連接，實現(xiàn)驅動通信總線和傳輸數(shù)據(jù)流特性。MAC子層是實現(xiàn)CAN協(xié)議的核心層，它的功能主要是制定通信數(shù)據(jù)的傳送規(guī)則，即控制幀結構、執(zhí)行仲裁、錯誤檢測、出錯標定和故障界定。LLC子層的功能主要是進行報文濾波、總線超載通知和總線恢復管理。物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能可由CAN接口控制器來完成，而應用層的功能由微處理器或者工控機完成的。CAN網(wǎng)絡通信模型如圖1所示。

圖1 CAN網(wǎng)絡通信模型

二、通信網(wǎng)絡架構

1.CAN網(wǎng)絡拓撲結構。CAN總線是串行式總線，因此由其架構的分布式工業(yè)測控網(wǎng)絡是按照串行總線式網(wǎng)絡實現(xiàn)的。CAN網(wǎng)絡的物理電氣線路采用屏蔽雙絞線。CAN總線是由插在工控機上PCI插槽中的CAN卡驅動的，工業(yè)現(xiàn)場測控設備依靠CAN模塊掛接在網(wǎng)絡總線上。如果工控設備之間的距離比較遠，或者掛接在網(wǎng)絡上的通信節(jié)點比較多，需要在網(wǎng)絡中接入中繼器，以保證通信的質量。總線式網(wǎng)絡拓撲結構需要在總線的終端接入總線終結器，以防止通信信號回波的反射干擾。這在物理上一般用1個與總線介質的特性阻抗相匹配的電阻來實現(xiàn)。在工程應用中，一般要注意通信節(jié)點分支長度、相鄰節(jié)點的距離（S）和無中繼時總線驅動的長度（L）等指標，依照CAN總線的國際標準建議，在通信速率為1Mbps時，S到L的距離應小于40m，當通信速率在5Kbps以下時，L的允許值可到10km。組網(wǎng)后的上位機要用VB或VC等開發(fā)工具編寫相應的應用層程序。CAN總線網(wǎng)絡架構如圖2所示。

2.CAN網(wǎng)絡的通信過程。CAN總線采用時分復用的原則，每個CAN通信節(jié)點在自己占用總線的時段內建立其與通信目標節(jié)點的物理鏈路來傳輸數(shù)據(jù)，直至數(shù)據(jù)發(fā)送完畢為止。由于CAN總線是多主機通信模式，在CAN總線上的所有通信節(jié)點都可以隨時地跟總線的其他節(jié)點發(fā)起通信，所以在多節(jié)點同時發(fā)出通信請求時，CAN總線有自己的通信仲裁機制，CAN網(wǎng)絡節(jié)點通信過程如圖3所示。

主動通信節(jié)點首先在偵聽到總線空閑時，發(fā)送自己占用總線的請求，經過總線仲裁后，如果不具備通信的資格，那么就進行通信等待，并繼續(xù)偵聽，當具有通信資格時，占有總線并傳輸數(shù)據(jù)。若具有占有總線的資格，則占有并驅動總線，并發(fā)送數(shù)據(jù)，其他的節(jié)點處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，經過報文濾波，相應的通信目標節(jié)點就會接收數(shù)據(jù)，其他的節(jié)點就放棄數(shù)據(jù)。在通信目標節(jié)點收到數(shù)據(jù)時進行判別，若數(shù)據(jù)錯誤，向主通信節(jié)點發(fā)送錯誤信息，進行數(shù)據(jù)錯誤處理。若數(shù)據(jù)正確，在數(shù)據(jù)傳輸完畢并釋放總線資源，主通信節(jié)點進入偵聽階段。

三、CAN總線通信模塊設計

1.通信模塊硬件電路設計。CAN總線通信模塊由微處理器80C51、CAN通信控制器SJA1000、高速光電耦合器6N137、CAN總線收發(fā)器82C250以及監(jiān)控接口電路等部分組成。CAN總線通信模塊硬件電路如圖4所示。

由于SJA1000只需要8位數(shù)據(jù)/地址線，本文，筆者采用80C51作為CAN總線通信節(jié)點模塊的微處理器，負責CAN通信控制器SJA1000的初始化和通信數(shù)據(jù)的處理。80C51和SJA1000分別采用獨立的外部時鐘。SJA1000采用線選方式實現(xiàn)選通，當80C51的P26為“0”時選通該控制器實現(xiàn)對SJA1000的訪問。為了對其他通信模塊傳來的數(shù)據(jù)做出實時處理，通信模塊工作在中斷方式下，當通信控制器接收到總線上傳來的數(shù)據(jù)時，SJA1000的INT引腳就輸出1個電平跳變，SIA1000的INT引腳和80C51的中斷0引腳相連，80C51初始化時設置為下降沿中斷，從而引發(fā)微處理器80C51產生中斷，通過中斷服務子程序接收1幀信息并進行分析處理，以及進行CAN總線錯誤中斷類型的判斷和誤碼糾正。

2.通信模塊軟件設計。根據(jù)CAN總線的網(wǎng)絡需要，按照程序模塊化設計的思想，CAN通信模塊程序主要分為硬件資源的配置（Resoure_align.h）、CAN總線控制器、SJA1000初始化（SJA_Init）、CAN總線數(shù)據(jù)接收（Canbus_datarecv）、CAN總線數(shù)據(jù)發(fā)送（Canbus_datasedn）等例程。資源分配全部定義在Re?soure_align.h這個頭文件中，在其他例程中都不存在具體引腳和寄存器的操作，這樣方便程序的移植。另外，由于總線數(shù)據(jù)接收處于被動地位，為了實時處理的需要，使用了微控器的0號中斷。CAN總線數(shù)據(jù)接收（Canbus_datarecv）例程是在中斷處理子程序中完成的，而CAN總線數(shù)據(jù)發(fā)送例程是主動通信的。

綜上，CAN總線作為一種比較實用的工業(yè)現(xiàn)場控制總線，具有高速率、長距離、高可靠性等優(yōu)點，使得它成為目前工業(yè)控制領域最常用的現(xiàn)場總線。目前，CAN總線在汽車運行參數(shù)測控儀表組網(wǎng)監(jiān)控、機器人多運動部件組網(wǎng)監(jiān)控、集散過程監(jiān)控、醫(yī)療器械、機械制造、傳感器等諸多領域都取得了成功的應用。與RS－485串行通信網(wǎng)相比，它具有突出的可靠性、實時性和抗干擾性的特點，其組網(wǎng)方式也非常靈活，因而非常適合于構建復雜現(xiàn)場的實時測控網(wǎng)絡。但在工程運用時，應考慮工程現(xiàn)場的集體情況，進行一些抗干擾措施，如恰當?shù)慕拥亍⑵帘蔚龋硗猓瑧脤榆浖脑O計應根據(jù)具體工程監(jiān)控的需要選擇合適的開發(fā)環(huán)境進行編寫。