基于51 單片機的CAN 總線實驗教學平臺的設計與實現

苗曙光，李崢，方振國，李淮江

淮北師范大學物理與電子信息學院，安徽淮北235000

0 引言

由于汽車工業和智能制造業的飛速發展，導致大量企業對CAN 總線人才的需求旺盛.CAN 是控制器局域網(Controller Area Network，CAN)的簡稱，是由德國博世公司開發的，最初主要應用在汽車上. 由于CAN 總線具有其他總線(如RS485、RS232)所無法比擬的優點，使得其應用非常廣泛. 目前，CAN 總線的應用已經不僅僅局限于汽車行業，而擴展到機械工程、紡織機械、農用機械、機器人、數控機床、醫療器械、家用家電以及智能傳感器等領域.CAN 總線已經形成國際標準，它具有較高的性價比，被公認為最有前途的現場總線之一［1］.作為培養應用型人才為主的電子信息工程等專業，單片機通信類實驗教學還主要停留在RS232 串口通信，但是RS232 存在傳輸距離短和抗干擾性差等缺點，不適合工業現場通信，難以滿足企業用人的需求［2］.另外很多高校缺少專門的CAN 總線實驗平臺，導致了CAN 總線實驗課程無法正常開設，學生的動手能力不足.本文基于高校CAN 總線實驗課程現狀，以51 單片機為基礎設計開發了一款口袋式的智能CAN 總線實驗平臺，為高校CAN 總線實驗教學提供保障.

1 CAN 總線實驗平臺設計

1.1 CAN 總線網絡框圖

典型的CAN 總線系統實現方法，如圖1 所示.從圖中可以看出，CAN 總線節點主要由單片機控制器模塊、CAN 控制器模塊、CAN 收發器模塊和相關傳感器模塊組成，各個節點通過兩根CAN 信號線CANH 和CANL 并聯在一起，構成一套完整的CAN 總線網絡.

圖1 典型的CAN 總線系統框圖Fig.1 Diagram of typical CAN-bus system

1.2 CAN 控制器和收發器選型

常用的獨立CAN 控制器主要有SJA1000 和MCP2515，由于SJA1000 應用較廣泛，內部帶有FIFO 結構，采用并行總線接口，速度較快，性能優于MCP2515. SJA1000 芯片是Philips 半導體公司PCA82C200 CAN 控制器(BasicCAN)的替代品，而且還擴展了PeliCAN 模式，對CAN2.0B 協議也有很好的支持［3，4］，因此本文CAN 控制器選型為SJA1000.

CAN 收發器提供了CAN 控制器與物理總線之間橋梁，是影響網絡系統的安全性、穩定性、電磁兼容性和可靠性的主要因素，因此CAN 總線收發器在CAN 網絡中具有重要作用. 常用的CAN 收發器有PCA82C250 和TJA1050 等，它們都可以提供對總線的差動發送和接收功能，都遵從ISO11898 標準的高速CAN 總線驅動器，可以在汽車和工廠現場控制中使用.但是，TJA1050 除了具有PCA82C250 的主要特性以外，在很多方面還做了進一步優化. TJA1050 的設計采用了最新的EMC 技術，它采用先進的絕緣硅(Silicon-on-Insulator，SoI)技術進行處理［5，6］，因此TJA1050 比PCA82C250 的抗電磁干擾性能提高了20 dB，本文的CAN 收發器選型為TJA1050.

圖2 CAN 總線節點設計Fig.2 CAN-bus node designp

1.3 CAN 總線節點設計

基于以上選型分析，本文以目前常用的STC89C52RC 型51 單片機為基礎，設計CAN 總線節點.節點原理框圖如圖2 所示，CAN 節點包括單片機控制模塊、SJA1000 總線控制器、TJA1050 總線收發器、供電模塊、顯示單元、外設接口模塊和CAN 信號線等.由于該節點是作為實驗室CAN 實驗平臺使用，所以沒有增加光耦隔離電路.

2 系統軟件設計

CAN 總線節點的軟件設計主要包括三大部分:CAN 初始化、CAN 數據發送和CAN 數據接收.

2.1 CAN 總線初始化

CAN 總線的初始化程序設計主要是通過對SJAl000 的寄存器寫入相應的控制字，從而確定SJAl000的工作方式.在對SJAl000 的寄存器寫入控制字時，要在SJAl000 的復位模式下采用軟件復位模式［7］. 其初始化流程圖如圖3 所示.

2.2 CAN 數據發送流程圖

報文的發送通常是由CAN 控制器根據CAN 協議規范自動完成的.首先由單片機將要發送的報文傳送到發送緩沖器中，并置位命令寄存器中的發送請求標志［8］.其發送流程圖如圖4 所示.

圖3 CAN 總線初始化Fig.3 CAN-bus initialization

2.3 CAN 數據接收流程圖

當接收緩沖區狀態標志為滿的時候，即表明已接收一個或者多個報文.此時單片機將從CAN 控制器取出第一個報文，并置位命令寄存器中的釋放接收緩沖區標志［9］.其接收流程圖如圖5 所示.

3 實驗測試

3.1 CAN 點對點通信實驗

點對點測試框圖如下圖6 所示，其中一塊板設定為A 板，另外一塊板設定為B 板，CAN 總線波特率為125 Kbps. A 板通過按鍵發送0x01-0x0f 數據給B板，B板接收后在本地顯示，通過USB-CAN總線分析儀到計算機調試軟件界面顯示，結果如圖7 所示.

圖4 CAN 數據發送流程圖Fig.4 Flowchartof CAN data transmission

圖5 CAN 數據接收流程圖Fig.5 Flowchart of CAN data receive

圖6 點對點測試框圖Fig.6 Diagram of point to point test

圖7 USB-CAN 分析儀接收到的CAN 報文Fig.7 CAN message received by USB-CAN analyzer

按照圖6 進行CAN 設備連接測試，通過USB-CAN 分析儀能夠收到數據長度為1，數據內容為0x01-0x0f 的CAN 報文，與發送端發送的報文信息一致，測試結果如圖7 所示，表明本文設計的CAN 總線實驗平臺的能夠應用于點對點通信實驗教學.

3.2 CAN 采集溫濕度數據實驗

溫度采集網絡結構如下圖8 所示，其中三塊CAN 實驗板負責溫濕度采集(溫濕度傳感器為DHT11)，另外一塊板負責CAN232 協議轉換，所有節點并聯在一起，實現CAN 總線溫度采集到計算機端顯示的功能［10］.

圖8 溫濕度采集實驗框圖Fig.8 Diagram of temperature and humidity acquisition experiment

上位機軟件采用VB6.0 開發了一個CAN 總線溫濕度采集界面，通過PC 端采集到溫濕度數據如下圖9 所示.串口號選擇的是COM4，串口波特率是9 600 bps，CAN 總線波特率為125 Kbps.1 號節點采集到的濕度是34 %，溫度是25 攝氏度;2 號節點采集到的濕度是33 %，溫度是24 攝氏度;3 號節點作為僅做本地采集顯示，數碼管顯示濕度為33%，溫度為24攝氏度，軟件還可以顯示CAN協議格式對應的數值. 由于在實驗室環境測試，節點間距離比較近，兩個節點的溫濕度值比較接近，通過和標準溫濕度計比較，誤差在比較小，能夠滿足基本的應用需求.

4 結束語

本文以單片機為基礎，設計開發了一款適用于CAN 總線實驗教學的平臺，通過該平臺的實踐教學可知，相比較傳統的教學方法，具有以下優點:(1)該CAN 總線實驗教學平臺，不僅能夠滿足基本的CAN 總線通信功能的實驗需求，而且可以擴展相關傳感器模塊，實現簡單的CAN 網絡項目實驗. 通過實驗，能夠提高學生對CAN 總線的基本原理和設計方法的掌握水平. (2)該平臺以51 單片機為基礎，做到了實驗平臺的微型化“口袋式”，這樣學生的實驗不僅僅局限于實驗室，方便學生課下進一步擴展設計，進而推動項目驅動型教學模式的開展.

圖9 溫濕度數據采集結果Fig.9 Results of temperature and humidity data collection

綜上所述，采用自制CAN 總線實驗教學平臺，有助于提高CAN 總線課程教學質量，對于培養應用型CAN 總線人才具有重要作用.