基于CAN總線的無線通訊模塊研制

步豐盛

（西南交通大學，四川 成都 611756）

本文在對現有的CAN總線技術和ZigBee無線通訊技術的研究成果和應用實例進行分析和總結的基礎上不僅完成基于CAN總線的ZigBee無線通訊模塊的系統整體設計，并且，在硬件方面，完成了系統的硬件設計；在軟件方面，實現了CAN總線的基本功能和CAN總線通過無線的方式與上位機的通訊。本文所設計的基于CAN總線的ZigBee無線通訊模塊是一種實驗性的系統，若要運用于實際生產中，還需要進一步的完善改進。

1 簡介

現場總線近年來發展迅速，CAN總線作為現場總線的一種，由于采用了新技術和獨特的設計，具有突出的可靠性、實時性和靈活性，而被廣泛的應用。ZigBee技術是一種新的短矩離無線通信技術,它具有成本低、體積小、能量消耗小和傳輸速率低的特性被應用到諸如工業控制、環境監測、商業監控、汽車電子、家庭自動化等低速率網絡應用場合。隨著無線通訊技術的迅猛發展，無線通訊技術被越來越多的應用到了控制領域。

本文在介紹CAN總線協議和zigbee協議棧的基礎上，給出了一種基于CAN總線的zigbee無線通訊系統的軟硬件設計方案。文中介紹了SJA1000CAN總線控制器，CC2430無線單片機，P87C52單片機的使用方法。本文所要完成以下的任務：了解CAN協議和ZigBee協議棧，完成系統設計方案。

2 CAN總線的網絡結構

2.1 網絡結構

CAN協議是一串行通訊協議，CAN 總線規范規定了任意兩個CAN節點之間的兼容性包括電氣特性及數據解釋協議。CAN總線是建立在OSI參考模型基礎上的，不過只采用了其中最關鍵的兩層，即物理層和數據鏈路層（如圖1）。數據鏈路層的主要功能是將要發送的數據進行封裝，即加上差錯校驗位、數據鏈路協議的控制信息頭尾標記等附加信息組成數據幀，從物理信道上發送出去，在接收到數據幀后，再把附加信息去掉，得到通信數據；物理層的主要內容是規定了通信介質的機械、電氣、功能和規程特性。CAN總線的物理層和數據鏈路層的功能是在CAN控制器中完成的。

圖1 CAN協議結構

2.2 CAN總線的訪問和仲裁

只要總線空閑，任何節點都可以向總線發送報文。如果有兩個或兩個以上的節點同時發送報文，就會引起總線訪問碰撞。通過使用標識符的逐位仲裁可以解決這個碰撞。仲裁的機制確保了報文和時間均不損失。當具有相同標識符的數據幀和遠程幀同時發送時，數據幀優先于遠程幀。在仲裁期間，每一個發送器都對發送位的電平與被監控的總線電平進行比較。如果電平相同，則這個單元可以繼續發送，如果發送的是“隱性”電平而監視到的是“顯性”電平，那么這個單元就失去了仲裁，必須退出發送狀態。這種解決沖突的機理是基于競爭的仲裁。

2.3 錯誤檢測

在CAN中存在5類不同的錯誤：①位錯誤；②填充錯誤；③CRC錯誤；④形式錯誤；⑤應答錯誤。在網絡中的任何一個節點，根據其錯誤計數器的數值，可能處于下列三種狀態之一。①“錯誤—激活”節點：一個“錯誤—激活”節點可以正常參與總線通信，并在檢測到錯誤時，發出一個激活錯誤標志；②“錯誤—認可”節點：一個“錯誤—認可”節點不應發送激活錯誤標志，它參與總線通信，但在檢測到錯誤時，發出一個認可錯誤標志；③“總線脫離”節點：當一個節點由于請求故障界定實體而對總線處于關閉狀態時，其處于“總線脫離”狀態。在“總線脫離”狀態下，節點既不發送，也不接收任何幀。只有應用戶請求，節點才能解脫總線脫離狀態。

3 系統分析

該系統的主要功能是使用無線通訊技術實現CAN總線與上位機的交互通信。由于這套系統是應用在現場的，因此其要具有以下的特點：系統具有廣泛的通用性；具有較高的可靠性；具有低功耗的特點。

我們能夠得出數據在整個系統中的傳輸過程，即ZIGBEE數據包←→數據←→CAN總線數據包。在系統中無線通信模塊采用ZigBee無線通訊技。ZigBee技術在低數據傳輸率的環境下具有很高的可靠性與穩定性，并且還具有低功耗低成本的特點。CAN總線傳輸采用CAN2.0A標準，其采用11位的標識符來判別過濾信息。

4 結束語

本文所給出的只是一種理論研究學習的模塊，要將其用于工業控制中去還需要做出很多改進。首先，硬件設計方面要增強電路的抗干擾能力，增加對核心電路的保護電路等。在軟件方面，文中所采用的ZigBee無線通訊協議棧只是一個簡化版的，需要對這部分軟件在于通訊的安全性和可靠性上做出改進，CAN的部分也需要在可靠性和錯誤的處理能力上做出改進。

基于這種原理設計的無線通訊控制系統以其低成本，低功耗，突出的可靠性、實時性和穩定性完全可以勝任現代控制的需要。

[1]李東生.Protel 99SE電路設計技術入門與應用.電子工業出版社.2002

[2]楊斌.微機原理及接口設計原理.西南交通大學出版社.2005

[3]童長飛.C8051F系列單片機開發與C語言編程.北京航空航天大學出版社.2005.2