基于CAN總線技術智能節點的設計探討

彭承榮

摘要：隨著科學技術不斷發展，技術更新日新月異。CAN總線技術憑借自身靈活等優勢，在實踐應用中，不僅能夠實現對數據測量的高效控制，還能夠提高工業現場可操作性、可控制性。本文將從CAN總線技術發展及特點入手，從總體結構、軟硬件角度對基于CAN總線技術智能節點設計進行深入探討，最后對系統進行了測試，證明該智能節點具有靈活、穩定等優勢，值得廣泛推廣。

關鍵詞：CAN總線技術；智能節點；設計

中圖分類號TP2 文獻標識碼A 文章編號2095-6363（2016）06-0121-01

現場總線作為工業自動化領域發展的基礎，能夠通過分布式控制方式，構建工業級局域網，在實踐應用中，滿足各個節點實時數據的傳輸和通信，具有較強的可靠性，受到了廣泛關注。CAN總線作為現場總線的重要組成部分，具有高性能特點，在航天航空、工業控制等領域得到了應用。因此加強對CAN總線技術智能節點設計的研究具有非常重要的現實意義。

1.CAN總線技術概述

CAN總線最早出現在20世紀80年代，是由現代汽車中眾多測控儀器之間的數據交換而設計的一種支持分布式實施控制數據的通信網絡。它將數據傳輸機制作為基礎，通過雙絞線、同軸電纜實現信息傳輸目標。CAN總線在實際應用的特點表現在以下幾個方面：一是多主技術，網絡上任何一點都能夠在不同的時刻，主動向網絡上其他節點傳輸信息，并實現對優先級的劃分，以此來滿足多元需求，提高控制力度；二是可靠性較高，節點出現錯誤時，能夠自動關閉輸出功能，與總線斷開聯系，確保其他節點依然處于健康運行狀態；三是監測特點，系統內部采用短幀結構，能夠有效縮短時延、降低干擾，在一定程度上降低數據錯誤率。上述優勢成為汽車、機械及醫療等領域引入CAN總線的重要原因。

2.基于CAN總線技術智能節點的設計

2.1總體結構設計

將CAN總線技術作為核心的系統中包含了不同的分布式控制系統，由遍布整個控制系統中的獨立節點，完成對系統主機的常規測試及控制。因此，在結構設計中，我們對主機不需要考慮監控底層設備，便能夠達到高性能控制及管理。通常來說，系統主要由主機、數據轉換器及智能節點3部分構成，如圖1所示。

觀察系統總體結構能夠發現主機與智能節點將CAN總線作為連接載體，其中主機選擇LabVIEW設計的檢測軟件、硬件資源共同構成，在系統運行中，能夠對智能節點進行動態監測，及時獲取數據，并將其存儲于系統數據庫中。同時，數據轉換器通過串口轉CAN總線，能夠實現數據的高效轉換，從而實現轉發目標。智能節點作為系統中數量最多的一部分，與總線相連，能夠將采集的數據信息發送至總線，并由總線進行統一處理，它由微控制器、收發器及接口構成。作為整個系統的關鍵，本文選擇STM32F107作為主控芯片，該芯片具有較強的ROM、RAM，尤其是針對程序量較大的嵌入式系統具有較好的支持，能夠顯著提升工業控制水平。收發器選擇德州儀器生產的SN65HVD230，該器件具有較高的速率、抗干擾能力等優勢，在CAN總線中具有廣泛的應用。

2.2硬件設計

一般CAN總線智能節點由微控制器、總線控制器及收發器構成。針對智能節點系統中的總線部分來看，其中PDO與PDl腳分別為CANRX、CANTX引腳，為總線輸入輸出提供一定支持，在系統運行中，將總線收發器與物理總線連接到一起，便能夠滿足運行需求。

針對CAN收發器來說，本文采用SN65HVD230，憑借其高達1Mbps的差分進行發送、接收，滿足信息發送和接受要求。由于該設備具有較強的短路、失地保護等功能，能夠減少系統運行故障。另外，針對收發器第8引腳經過10k電阻與PDl5連接后，能夠滿足微控制器控制要求，并隨著具體情況而發生變化。如當PDl5處于低電情況下，系統將處于高速工作模式，反之則處于待機模式。另外，在硬件設計環節，在CAN總線輸入端與大地之間設置防雷擊管，能夠避免雷擊的干擾。復位電路中由復位電路、上電自動復位電路構成，提高系統集成度的同時，還能夠增強其可靠性，從而促使系統能夠更好地發揮積極作用。

2.3軟件設計

基于CAN總線智能節點主程序在運轉時具備固定的流程。詳細來說，系統發送方式通過查詢實現，發送數據則通過中斷方式達到目標。一般而言，智能節點主程序由系統、及其外設初始化等多個部分構成。當cAN控制器處于初始狀態時，需要將控制器復位到較高的位置，才能夠訪問寄存器。因此在初始化寄存器之前，應處于復位狀態當中。而總線定時寄存器的初始化值應結合控制器晶振頻率完成設計目標。當系統處于運行狀態時，針對數據發送來說，控制器能夠將數據發送到總線中，并由控制器自主完成，而發送主程序則需要將信息幀發送至發送緩沖區，最后傳遞命令即可。而針對數據接收而言，控制器能夠從總線當中，讀取到數據信息，完成數據信息的接收。因此，在具體設計過程中，針對CAN控制器的設計，我們應適當提高緩存位，以此來提高系統運行有效性。

2.4系統測試

針對系統測試，本文選擇了兩個智能節點，將他們分別稱為節點A和節點B，同時設置相應的接口板。該接口具備上文描述的輸入及輸出等功能。因此在智能節點設計中，我們既能夠接收信息、還能夠發送信息，更具便捷性。在測試中，我們將兩個節點分別置于實物當中，連接完成后，按照如下程序進行測試。

在輸入端，隨機選擇數據信號，測試輸出端是否能夠獲取對應的信號。而節點B通過中斷按鍵向節點A發送數據信息，測試節點A能夠通過顯示模塊進行技術。經過測試后，我們能夠發現輸入端口指示燈亮，輸出端端口燈亮，由此可以證明節點A成功采集數據，并對數據進行處理后發送至節點B，同時，節點B也能夠接受到經過CAN總線傳輸過來的信息。綜上來看，本文設計的系統通信正常，能夠滿足工業控制要求，確保工業生產等工作處于良好的狀態中。

3.結論

本文將STM32F107微處理器作為核心，設計了CAN總線智能節點，使得系統不僅具備CAN總線優勢，且能夠有效發揮可靠性、抗干擾性等優勢，為相關領域提供了極大的支持。另外，智能節點能夠滿足分布式節點測試，促使控制工作朝著智能化、網絡化方向發展，為CAN總線技術在工業測控領域中的推廣和普及奠定了堅實的基礎，特別是在數據處理方面更具優勢。隨著科學技術不斷發展，我們還應加大對CAN總線技術的研究，不斷優化技術，從而促使其積極作用得到最大限度發揮。