無線CAN總線數據傳送系統的研究

吳偉斌 洪添勝 朱余清 葉 成 黎浩標 何廣斌 許紹忠

(華南農業大學南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室1，廣東 廣州 510642;華南農業大學工程學院2，廣東 廣州 510642)

0 引言

CAN總線起源于汽車電子系統，由于它在技術和性價比方面的獨特優勢，現已廣泛應用于航天、電力、儀表、機器人等領域[1－2]。無線局域網作為無線通信技術之一，其發展迅速，是當今網絡發展的一個主要潮流，可廣泛應用于無線辦公、無線醫院、無線校園、無線社區等場合，目前已經進入工業控制領域[3]。

采用傳統的有線方式連接各個CAN總線節點實現通信的方法存在布線和設備使用不便等缺點。為了不采用有線介質實現CAN總線節點之間的有效通信，可以采用無線通信技術[4]。無線通信技術的種類多樣，其中無線局域網技術組網簡單，能夠快速地搭建網絡，技術比較成熟。因此，運用無線局域網技術實現CAN總線數據的無線傳送[5]在當前具有重大的應用價值。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總線系統進行了研究。

1 總體方案的確定

本文所述無線CAN系統由兩個控制節點組成，其功能框圖如圖1所示。

圖1 系統功能框圖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，系統的兩個節點都在不斷地監測自身連接的CAN總線網絡，在將正確接收到的CAN報文通過無線方式發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;然后將這些報文發送到自身連接的CAN總線網絡，從而實現CAN總線數據的無線傳送。兩個CAN總線網絡無需通過有線介質就能實現通信。

系統的兩個節點構造相同，主要由微控制器STC12C5410AD、CAN總線控制器MCP2515、CAN總線收發器MCP2551和射頻無線模塊RF903組成。系統軟件主要是對微控制器STC12C5410AD進行編程控制，包括初始化程序、CAN報文發送程序、CAN報文接收程序、無線發送程序和無線接收程序。

2 系統硬件設計與分析

本系統選用STC12C5410AD單片機作為微控制器，它是宏晶科技生產的一款單時鐘/機器周期的單片機。MCP2515是一款為簡化連接CAN總線的應用而開發的獨立CAN控制器，完全支持CAN V2.0B技術規范;MCP2551是一個可容錯的高速CAN器件，可作為CAN協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控制電路負責進行CAN報文的接收和發送，主要由主控制器STC12C5410AD、CAN控制器MCP2515和CAN收發器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，進行CAN報文的發送和接收。

2.2 編碼開關電路

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

圖3 編碼開關電路圖Fig.3 Encoding switch circuit

編碼開關S1內部有4個開關，各個開關的其中一端分別連接到STC12C5410AD的P2端口的高4位，另一端接地。當開關不閉合時，由于端口通過上拉電阻接到電源端，呈現高電平;當開關閉合時，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，所以需要進行電壓轉換。圖4中的AMS1117是一個穩壓芯片，它用于將5 V電壓穩壓在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雙向數據線，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，以便進行中斷控制。P3是RF903的接口。

3 系統軟件設計與分析

系統的軟件設計在集成編譯環境中完成。本系統選用了宏晶科技的微控制器STC12C5410AD作為主控芯片，其編譯、調試工作在Keil C51軟件開發環境下進行。本系統配置了與宏晶科技微控制器配套的STCISP軟件。該軟件負責將編譯好的程序下載到微控制器STC12C5410AD中。

系統的總體運行過程由主函數控制。主函數是一個循環體，其控制過程具體如下。

系統啟動時先進行初始化，然后判斷RF903是否收到無線數據。如果收到無線數據，則啟動無線接收程序，然后啟動CAN報文發送程序，將CAN報文發送到CAN總線上，接著返回繼續檢測是否收到CAN報文。如果RF903沒有收到無線數據，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，然后啟動無線發送程序，將CAN報文通過RF903發送到另一端，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進行初始化，包括中斷設置和SPI的相關設置。然后采集編碼信息，以便后續對CAN波特率進行設置。對MCP2515進行初始化時，首先對其進行復位操作并設置為配置模式，同時設置接收中斷，從而使微控制器能夠及時進行CAN報文的接收。CAN報文有標準和擴展兩種類型，為了不丟失報文，MCP2515同時接收這兩種類型的報文。然后，讓其進入正常工作模式。初始化RF903前也要對其進行復位操作，并設置工作頻率和工作模式。由于最長的CAN報文只占用13 B，所以可以將數據包長度設為13 B。每個RF903模塊都有自身的地址，設置地址用以區別其他模塊，然后對其接收和發送指針進行復位。初始化的最后步驟要將RF903設置為接收狀態，以進行接收監測。

②CAN總線報文發送程序

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

③CAN總線報文接收程序

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

④無線發送程序

當接收完CAN報文后，就要執行無線發送程序，將CAN報文發送出去。發送前先復位發送指針，然后寫入接收機的地址。不同的地址對應不同的RF903模塊。寫入數據后令RF903進入發送狀態，自動將數據發送出去。待數據發送完成后，將RF903的狀態設為接收狀態，進行自動監測，并等待接收無線CAN報文。

⑤無線接收程序

當RF903接收到無線CAN報文后，微控制器就要執行無線接收程序，讀取并暫存數據，并將報文發送到CAN總線網絡。在復位接收指針后要對數據進行CRC校驗檢測，如果校驗錯誤，說明接收的數據有錯，應該放棄接收;只有校驗正確的數據才會被接收。讀取數據前先發送讀數據命令，然后就可以將數據讀取到微控制器內暫存。讀取數據完成后，為避免丟失需要接收的數據，應重新設定RF903模塊，以確保其能進入接收狀態，并進行實時監測。

4 系統測試與分析

4.1 測試選用材料與儀器設備

測試儀器設備主要包括以下幾種。

① Kvaser USBCAN II是瑞典Kvaser公司開發的專業CAN總線分析儀。它與Kvaser公司開發的CAN總線數據測試軟件CanKing結合使用能夠檢測和發送符合CAN協議標準的信號，并在計算機顯示器上加以顯示，從而便于對CAN報文的各部分進行分析。

②CAN節點模塊XhoCAN，該模塊可以收發 CAN總線報文。

③自主開發的系統電路板兩塊。

④計算機一臺、導線若干。

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與計算機相連，打開CanKing軟件，將CAN通信波特率設置為500 kbit/s。

②將Kvaser USBCAN II的CAN接口與CAN節點模塊的CAN接口相連，啟動CanKing軟件接收CAN節點模塊發出的CAN報文。

③將CAN節點模塊的CAN接口與本系統其中一個模塊的CAN接口相連，然后將Kvaser USBCAN II的CAN接口與本系統另一個模塊的CAN接口相連。通過CanKing測試CAN節點模塊發送的CAN報文，并將它和直接測試的報文進行對比。

④將Kvaser USBCAN II的CAN接口與本系統其中一個模塊的CAN接口相連，然后將CAN節點模塊的CAN接口與本系統另外一個模塊的CAN接口相連，并將CAN節點模塊通過串口與電腦相連，同時打開CanKing軟件的報文發送窗口。在發送窗口中設置好報文標志符、數據長度和各個數據后，按下“Send”鍵，將CAN報文通過本系統發送到CAN節點模塊，CAN節點模塊會將接收到的報文通過串口發送到計算機，并在STC-ISP顯示收到的數據。

⑤設置不同的報文信息，將重復多次發送不同的報文與原來設定的報文進行比較。

4.3 軟件設計

4.3.1 Kvaser USBCAN II的接收測試

Kvaser USBCAN II的接收測試步驟如下。

①直接進行測試時的數據

在4.2章節的測試步驟②中，通過 Kvaser USBCAN II對 CAN節點模塊直接進行測試時，在CanKing軟件中測試 CAN報文。其中，“Chn”指Kvaser USBCAN II的測試通道。“Identifier”是報文標志符，簡稱ID?！癋lg”指示報文是標準幀還是擴展幀，顯示“X”時為擴展幀，沒顯示“X”時為標準幀?！癉LC”指示數據長度，“D1”～“D7”是數據場的8 B數據?！癟ime”顯示接收到報文的時間?！癉ir”指示Kvaser USBCAN II的工作模式，接收時為“R”，發送時為“T”。數據窗口的數據是以十進制的形式顯示的。

②連接無線CAN系統進行測試時的數據

在4.2章節的測試步驟③中，采用 Kvaser USBCAN II對CAN節點模塊CAN報文進行測試。測試結果表明，本系統的模塊也主要用來發送3個固定標志符的CAN報文。測試到標志符為180093185、347604230和356516355的3個報文。對于同一個標志符的報文，若測試步驟②和步驟③測試的結果從“Flg”到“D7”每個位置的數據都相同，則步驟②和步驟③的測試結果是相同的，說明CAN節點模塊可以通過本系統將報文發送到其他節點。

4.3.2 Kvaser USBCAN II的發送測試

Kvaser USBCAN II的發送測試步驟具體如下。

①通過CanKing軟件發送預定義的報文數據

在4.2章節的測試步驟④和步驟⑤中，通過CanKing軟件的發送窗口預定義了10個CAN報文，并將它們發送到本系統的其中1個模塊。試驗結果表明，10個CAN報文的標志符和數據場都不相同，有些是標準幀，有些是擴展幀。

②通過STC-ISP顯示接收到的報文數據

在4.2章節的測試步驟④和步驟⑤中，通過STPISP將CAN節點模塊接收到的報文信息加以顯示，結果顯示有10行數據，每行表示一個報文，分別對應通過CanKing軟件預定義的10個報文，數據以十六進制形式顯示。報文的第一列表示從MCP2515的“接收緩沖器標準標志符高位”寄存器讀取的數據，第二列表示從MCP2515的“接收緩沖器標準標志符低位”寄存器讀取的數據，第三列表示從MCP2515的“接收緩沖器擴展標志符高位”寄存器讀取的數據，第四列表示從MCP2515的“接收緩沖器擴展標志符低位”寄存器讀取的數據，第五列表示從MCP2515的“接收緩沖器數據長度碼”寄存器讀取的數據，第六列至第十三列分別表示從MCP2515的8個“接收緩沖器數據段字節”寄存器讀取的數據。

為更好地分析報文的標志符、數據長度和各個數據段字節，將各個報文轉換成更直觀的信息，具體如表1所示。

以報文1、報文3和報文5為例，將通過CanKing軟件預定義的報文與STC-ISP顯示的報文進行對比，對比結果如表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個報文的標志符分別為170、256和135。對于同一個標志符的報文，3種方式顯示的結果從“Flg”到“D7”的每個位置的數據都相同，則這2種方式對這3個報文的顯示結果是相同的。用相同的方法將其他報文進行對比，可以發現，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軟件通過本系統將報文發送到其他節點。

整個測試過程表明，本系統可以運用CAN總線分析儀Kvaser USBCAN II進行CAN報文的收發。本系統傳送的報文錯誤率為0，能夠將CAN節點發送的報文傳送到另一端的CAN節點。本系統的通信符合CAN協議標準，可與其他符合CAN協議標準的網絡相連，實現CAN總線數據的無線傳送。該系統可以應用于工農業等信息傳輸領域。

5 結束語

運用無線局域網技術實現了CAN總線數據的無線傳送系統構建。CAN總線數據無線傳送系統由2個節點組成，每個節點在不斷地監測自身連接的CAN總線網絡，并將正確接收到的CAN報文通過無線方式發送到另一節點。系統的軟件采用C語言編寫，模塊化的軟件設計具有良好的可靠性及可移植性。系統無須改變硬件結構，只需對程序進行修改即可實現無線通信。系統的通信符合CAN協議標準，可與其他符合CAN協議標準的網絡相連，以實現CAN總線數據的無線傳送。通過CAN總線分析儀Kvaser USBCAN II，可實現對CAN報文的收發。

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