異構CAN 總線節點通信系統設計

郝 彬，李樹鳳，王志琳，劉新月

（1.天津職業技術師范大學電子工程學院，天津 300222；2.科信達通（天津） 科技發展有限公司，天津 300101）

CAN（controller area network）[1]總線獲得了業界的認可，其應用場景也從汽車領域[2-3]延伸至工業自動化[4]、船舶、醫療設備[5]、工業設備[6-7]等領域，用途十分廣泛。在我國北方，大棚種植瓜果、蔬菜是廣大農民發展多種經營、增加經濟收入的重要手段。在大棚技術[8]管理方面涉及的內容很多，主要有光照、溫度、病蟲害、防霜凍等。在北方的冬季，氣溫較低，為了保持大棚內的溫度，防止凍害，往往要在塑料薄膜上覆蓋一層或多層草苫，這樣雖可起到保溫的作用，但會影響光照作用。而有時雖然不需要覆蓋草苫，但是受到北方霧霾、陰雪天氣的影響，也會影響大棚內作物的采光種植，所以為大棚內植物提供充足的光照是一項重要的技術問題。為實現大棚內照明，目前大多采用LED 照明光源[9]，在大棚內進行多點布設。針對各LED照明節點，本文研究了基于CAN 總線互聯的多照明節點的連接和控制方式，并分析了采用不同控制芯片的CAN 照明節點的互聯問題。

1 系統設計

CAN 總線的物理連接只需2 根線，常記為CAN_H和CAN_L，通過差分信號進行傳輸。CAN 總線網絡是一種真正的多主機網絡，其網絡拓撲如圖1 所示。

圖1 CAN 通信系統拓撲圖

在總線處于空閑狀態時，任何一個節點單元都可以申請成為主機，向總線發送消息。最先訪問總線的節點單元可以獲得總線的控制權；多個節點單元同時嘗試獲取總線的控制權時，將發生仲裁事件，只有優先級高的節點單元能獲得總線的控制權。

CAN 總線的通信速率和總線長度有關，在總線長度小于40 m 的場合中，數據傳輸速率可以達到1 Mbps，而即使總線長度達到1 000 m，數據傳輸速度仍可達到50 kbps，明顯優于RS232 和RS485 等通信方式。CAN 總線上的節點數理論上沒有上限，但在實際中受到總線上的時延以及電氣負載的限制，這種傳輸距離完全可以滿足大棚內的布線要求。

由圖1 可知，每個通信節點由微控制器、CAN 控制器、CAN 收發器3 部分組成。在構造CAN 總線通信節點時，可以選擇不同廠家的微控制器、CAN 控制器和CAN 收發器。目前，市場上具有代表性的CAN 控制器有恩智浦公司的SJA1000，在CAN 收發器方面，有恩智浦公司的PCA82C250 和TJA1050。為提升產品的綜合性能，很多微控制器廠商提供集成了CAN 控制器的MCU 產品，如意法半導體（ST）公司的STM32F103系列的32 位微控制器，恩智浦公司的P87C591 系列的8 位單片機等。

在一個CAN 總線網絡中采用完全一致的CAN 節點設計無疑是最為方便的方案，但由于功能、成本或其他方面因素的考慮，在同一個CAN 總線網絡上，各CAN 節點會采用不同的實現方案。這時就必須解決異構CAN 節點的互聯互通問題。本文以照明控制應用為案例，從實用角度出發，闡述異構CAN 節點間實現互聯互通時所涉及的主要技術問題。

2 節點電路實現方式

在本文設計的照明控制系統中，CAN 網絡由一個主節點和多個從節點組成。主節點負責多點數據采集和信息顯示，采用意法半導體（ST）的32 位STM32F103作為控制器[10-11]，STM32F103 微控制器內置了bx（basic extended）CAN 控制器，集成度高。各從節點主要功能是負責區域內的照度信號檢測，以及控制一組LED 照明燈的光照強度調節。出于項目的繼承性和成本方面的考慮，各子節點采用宏晶科技（STC）的STC89C52RC的8 位51 單片機作為節點控制器，實現節點控制和CAN 通信功能。相應的節點框圖如圖2 所示。

圖2 CAN 通信系統拓撲圖

2.1 STM32控制的CAN節點

在硬件上，STM32F103 內部集成一個bxCAN 控制器。bxCAN 控制器支持2.0A 和2.0B 的CAN 協議，只需外接1 個CAN 收發器TJA1050，即可滿足CAN 通信的硬件要求。硬件電路如圖3 所示。

圖3 STM32F103 控制的CAN 節點電路圖

由圖3 可知，STM32F103 的bxCAN 協議控制器的發送引腳（CAN_TX）為PA12，接收引腳（CAN_RX）為PA11，與CAN 收發器TJA1050 對應的串行數據輸出TXD 和串行數據輸入RXD 相連。TJA1050 通過其2 個有差動接收和發送能力的總線終端CANH 和CANL 連接到CAN 總線網絡。

2.2 STC89C52RC控制的CAN節點

STC89C52RC 是一款功能單一的傳統8 位51單片機，如要實現CAN 總線通信功能需外擴獨立的CAN 總線控制器和收發器，如圖2 所示。在實際應用中，CAN 控制器選用SJA1000[12]，收發器采用PCA82C250，二者均為恩智浦公司的產品。SJA1000 是一款獨立的CAN 控制器，支持CAN2.0 協議的新特性。其地址/數據復用總線AD0-AD7 與STSTC89C52RC的P0 口相連，做為單片機的外部存儲器擴展應用。ALE、RD、WR 引腳與單片機的對應引腳連接，控制讀寫數據操作，完成數據和地址通信。片選端CS 連接到單片機的P2.0，片選信號低電平有效。復位端RST 由單片機的P2.3 控制。SJA1000 的16 腳MODE 端接高電平選擇INTEL 模式。SJA1000 的16 腳是中斷信號輸出，接到STSTC89C52RC 的INT1，使單片機以中斷方式接收CAN 總線的數據。XTAL1 和XTAL2 共2 個引腳接16 MHz 的晶體，為SJA1000 數據的發送以及校驗等功能提供時鐘。

SJA1000 的TX0、RX0 連接到CAN 收發器PCA82-C250 的對應引腳，數據幀就可以傳送到總線上。由于控制器和收發器都需要外擴，故與STM32 相比，STC89C52RC 實現的CAN 節點硬件電路要復雜一些。

3 節點波特率

在完成了硬件設計后，具體通信功能要依靠軟件來實現。同其他串行通信方式一樣，CAN 總線在通信時，各節點要具有相同的波特率。

3.1 STM32控制的CAN節點波特率設置

CAN 總線的數據傳輸速率由波特率決定，它是指發送單元在非同步狀態下發送的每秒位數，也稱為位速率。標準的CAN 協議的一個位可分為4 個段：同步段（SS）、傳播時間段（PTS）、相位緩沖段1（PBS1）和相位緩沖段2（PBS2）。而每個段又由若干個被稱為最小時間單位tq構成。STM32 將傳播時間段和相位緩沖段1 合并為1 個PSB1。同步段的時長為1 個tq，相位緩沖段1 和相位緩沖段2 的時長為tq的整數倍。正常的位時間是上述3 段的時長之和。STM32 的位時序如圖4所示。

圖4 bxCAN 的位時序圖

通信波特率是正常位時間的倒數。參見文獻[6]，正常位時間=1×tq+tBS1+tBS2，其中，tq=（BRP[9 ∶0]+1）×tPCLK，tBS1=tq×（TS1[3 ∶1]+1），tBS2=tq×（TS2[2 ∶0]+1），tPCLK是APB1 總線的時鐘周期。BRP [9 ∶0]，TS1[3 ∶1]，TS2[2 ∶0]均在CAN 位時間寄存器（CAN_BTR）中定義。通信波特率計算式為

若取APB1 的時鐘頻率為36 MHz，BRP[9 ∶0] =47，TS1[3 ∶1]=2，TS2[2 ∶0]=1，則可計算出波特率為125 kbps，即為應用實例使用的波特率。

3.2 STC89C52RC節點波特率設置

由51 單片機控制的CAN 節點是通過STC89C52RC設置CAN 控制器SJA1000 的相應寄存器來實現的。在SJA1000 中CAN 總線的位時間采用了與STM32 相類似的描述方式，因是不同廠家的產品，故使用了不同的稱謂。在SJA1000 中，位時間的最小單位稱為CAN 系統時鐘周期，用Tscl表示，對應STM32 中的tq。每一位也是由同步段、時間段1、時間段2 組成，分別用Tsyncseg、Tseg1、Tseg2表示，與STM32 中的同步段、相位緩沖段1 和相位緩沖段2 對應。

由于CPU 的架構不同，具體的寄存器設置方式也不同，這是實現CAN 總線通信的關鍵技術細節。CAN系統時鐘周期為

式中：BRP.5 是總線定時器（BTR0）中BRP.5 位的設置狀態，只有0 或1 這2 種可能；第BRP.4 位、BRP.3 位、BRP.2 位、BRP.1 位和BRP.0 位的設置狀態一并代入式（2）計算；Tclk是SJA1000 外部晶振的頻率周期，使用16 M 外部晶振。

在SJA1000 中，3 個段的計算式為

式（4）中，Tseg1.3、Tseg1.2、Tseg1.1、Tseg1.0 是總線定時器（BTR1）中對應的位設置，式（5）中Tseg2.2、Tseg2.1、Tseg2.0也是總線定時器（BTR1）中對應的位設置。

在SJA1000 中

在應用實例中，設置總線定時器0 預設值0x03，即BRP0=0x03，即BRP.1 和BRP.0 為1，其余位為0。由式（2）可計算出CAN 系統時鐘周期Tscl=2×（2+1+1）/16 M。

總線定時器（BTR1）的設置值0x1C，即BTR1 =0x1C，即Tseg1.3=1，Tseg1.2=1，Tseg2.0=1，其他位為0，相應可以計算出Tseg1= Tscl×（8 + 4 + 1）=13Tscl，Tseg2=Tscl×（1+1）=2Tscl，將其代入式（6）得

位時間=Tsyncseg+Tseg1+Tseg2=16×Tscl

波特率=1/（16×Tscl）=125 kbps

與前述STM32 設置的通信速率保持一致。

STC89C52RC 對SJA1000 的訪問是按照外部存儲器方式來實現的，所以訪問的基地址即為0xFE00，地址范圍0xFE00～0xFFFF，采用宏定義語句#define SJA_BASE_ADR0xFE00，定義該基地址后，對SJA1000 的存儲器的方式就是在該基地址基礎上加上相應的偏移量，如發送緩沖區的第1 個字節位于第17 個寄存器，其地址為#defineSJA_RBSR0XBYTE[SJA_BASE_ADR+0x10]。

針對STC89C52RC 控制節點按照上述波特率設置方式對SJA1000 進行軟件編程，保證主、從節點使用的波特率相同，即可實現51 單片機控制的各個從節點與STM32 控制的主節點的數據通信，從而構建基于CAN 總線的多節點照明系統。

4 驗證系統搭建

依據上述方案，項目組搭建了1 個主節點和3 個從節點的演示驗證系統。主控節點采用STM32F103RBT6芯片，如圖5（a）所示，從節點采用STC89C52RC 單片機控制，由于與從節點配套的CAN 控制器SJA1000是一個單獨芯片，故采用了模塊化設計，單獨設計了一個小印制板，采用插卡式安裝，如圖5（b）所示。

圖5 演示驗證系統

這種設計方案既方便維修，又利于系統的升級換代。如在系統小型化設計時，需要將插裝的單片機芯片改為貼片設計，只需重新設計上部的主控板。演示驗證系統中，主、從節點CAN 總線通信波特率均設置為125 kbps，可實現主節點對從節點的光照強度控制及各從節點的狀態輪詢。為降低節點成本，照明節點采用價格較低的LED 燈頭作為照明光源，LED 燈頭的供電驅動為自主設計的LED 驅動板，驅動芯片使用AMC7150，而照明燈頭直接采購市場上現成的產品。

5 結 語

本文設計實現了采用不同主控芯片，通過CAN 總線通信，實現多LED 照明節點控制系統。主節點功能為多點數據采集和信息顯示，采用意法半導體（ST）的32 位STM32F103 作為控制器，內置了bxCAN 控制器。從節點采用低價的STC89C52RC 單片機，需外擴款獨立的CAN 控制器SJA1000。根據上述方案，本文搭建1 個主節點和3 個從節點的演示驗證系統。所有節點CAN 總線通信波特率均設置為125 kbps，可實現節點間通信控制。系統采用的異構CAN 節點通信技術，也可用于其他通信網絡中，具有一定的應用推廣價值。