无线CAN总线数据传送系统的研究

吴伟斌 洪添胜 朱余清 叶 成 黎浩标 何广斌 许绍忠

(华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室1，广东 广州 510642;华南农业大学工程学院2，广东 广州 510642)

0 引言

CAN总线起源于汽车电子系统，由于它在技术和性价比方面的独特优势，现已广泛应用于航天、电力、仪表、机器人等领域[1－2]。无线局域网作为无线通信技术之一，其发展迅速，是当今网络发展的一个主要潮流，可广泛应用于无线办公、无线医院、无线校园、无线社区等场合，目前已经进入工业控制领域[3]。

采用传统的有线方式连接各个CAN总线节点实现通信的方法存在布线和设备使用不便等缺点。为了不采用有线介质实现CAN总线节点之间的有效通信，可以采用无线通信技术[4]。无线通信技术的种类多样，其中无线局域网技术组网简单，能够快速地搭建网络，技术比较成熟。因此，运用无线局域网技术实现CAN总线数据的无线传送[5]在当前具有重大的应用价值。目前，无线 CAN 总线的研究还比较少[6－9]，但需求量却越来越大。本文对简易通用的无线CAN总线系统进行了研究。

1 总体方案的确定

本文所述无线CAN系统由两个控制节点组成，其功能框图如图1所示。

图1 系统功能框图Fig.1 Block diagram of system function

图1中，虚线箭头表示无线通信。

在工作过程中，系统的两个节点都在不断地监测自身连接的CAN总线网络，在将正确接收到的CAN报文通过无线方式发送到另一模块的同时，也会接收来自另一模块的无线CAN报文;然后将这些报文发送到自身连接的CAN总线网络，从而实现CAN总线数据的无线传送。两个CAN总线网络无需通过有线介质就能实现通信。

系统的两个节点构造相同，主要由微控制器STC12C5410AD、CAN总线控制器MCP2515、CAN总线收发器MCP2551和射频无线模块RF903组成。系统软件主要是对微控制器STC12C5410AD进行编程控制，包括初始化程序、CAN报文发送程序、CAN报文接收程序、无线发送程序和无线接收程序。

2 系统硬件设计与分析

本系统选用STC12C5410AD单片机作为微控制器，它是宏晶科技生产的一款单时钟/机器周期的单片机。MCP2515是一款为简化连接CAN总线的应用而开发的独立CAN控制器，完全支持CAN V2.0B技术规范;MCP2551是一个可容错的高速CAN器件，可作为CAN协议控制器和物理总线接口;RF903是一款高性能射频通信模块。

2.1 CAN 控制电路

CAN控制电路负责进行CAN报文的接收和发送，主要由主控制器STC12C5410AD、CAN控制器MCP2515和CAN收发器MCP2551组成，主要电路如图2所示。其中，STC12C5410AD连接电源端(28脚)、地端(14脚)和外部振荡电路即可正常工作。

图2 CAN控制电路图Fig.2 CAN control circuit

MCP2515与STC12C5410AD通过6条连接线进行通信。MCP2515由 SPI接口控制，而 STC12C5410AD自带SPI接口，可以将 MCP2515的 SPI接口的 SCK、SO、SI、CS这4个引脚分别连接到 STC12C5410AD的P1.7、P1.6、P1.5、P1.4。MCP2551 通过 TXD 和 RXD 引脚分别与MCP2515的TXCAN和RXCAN连接，进行CAN报文的发送和接收。

2.2 编码开关电路

编码开关S1电路用于采集编码信息及设置CAN总线的波特率。电路主要由一个10 kΩ排阻(P6)和一个编码开关组成，开关电路如图3所示。

图3 编码开关电路图Fig.3 Encoding switch circuit

编码开关S1内部有4个开关，各个开关的其中一端分别连接到STC12C5410AD的P2端口的高4位，另一端接地。当开关不闭合时，由于端口通过上拉电阻接到电源端，呈现高电平;当开关闭合时，端口与地线相连，电平被拉低。

2.3 RF903 控制电路

RF903控制电路由电压转换电路和RF903接口组成，其电路如图4所示。

图4 RF903控制电路图Fig.4 RF903 control circuit

由于RF903模块的工作电压是2.2～3.6 V、其他器件的工作电压是5 V，所以需要进行电压转换。图4中的AMS1117是一个稳压芯片，它用于将5 V电压稳压在3.3 V左右。RF903同样也通过SPI来控制，其SPI引脚连接到STC12C5410AD的SPI接口上。由于SDIO引脚是SPI双向数据线，所以在与STC12C5410AD的MISO和MOSI连接时要添加一个1 kΩ电阻，以避免2个端口互相影响。IRQ引脚连接到STC12C5410AD的外部中断1，以便进行中断控制。P3是RF903的接口。

3 系统软件设计与分析

系统的软件设计在集成编译环境中完成。本系统选用了宏晶科技的微控制器STC12C5410AD作为主控芯片，其编译、调试工作在Keil C51软件开发环境下进行。本系统配置了与宏晶科技微控制器配套的STCISP软件。该软件负责将编译好的程序下载到微控制器STC12C5410AD中。

系统的总体运行过程由主函数控制。主函数是一个循环体，其控制过程具体如下。

系统启动时先进行初始化，然后判断RF903是否收到无线数据。如果收到无线数据，则启动无线接收程序，然后启动CAN报文发送程序，将CAN报文发送到CAN总线上，接着返回继续检测是否收到CAN报文。如果RF903没有收到无线数据，则直接检测是否收到CAN报文。如果收到CAN报文，就启动CAN报文接收程序，然后启动无线发送程序，将CAN报文通过RF903发送到另一端，最后返回重新检测;如果没有收到CAN报文，就直接返回重新检测。检测的过程可以由中断控制，从而降低控制器成本。

①初始化程序

先对STC12C5410AD进行初始化，包括中断设置和SPI的相关设置。然后采集编码信息，以便后续对CAN波特率进行设置。对MCP2515进行初始化时，首先对其进行复位操作并设置为配置模式，同时设置接收中断，从而使微控制器能够及时进行CAN报文的接收。CAN报文有标准和扩展两种类型，为了不丢失报文，MCP2515同时接收这两种类型的报文。然后，让其进入正常工作模式。初始化RF903前也要对其进行复位操作，并设置工作频率和工作模式。由于最长的CAN报文只占用13 B，所以可以将数据包长度设为13 B。每个RF903模块都有自身的地址，设置地址用以区别其他模块，然后对其接收和发送指针进行复位。初始化的最后步骤要将RF903设置为接收状态，以进行接收监测。

②CAN总线报文发送程序

CAN报文发送程序是对MCP2515进行发送控制。首先判断发送缓冲器是否为空，如果不为空，就不能对其进行写入。MCP2515有3个发送缓冲器，分别是TX2、TX1和TX0。其中，TX2的优先级最高，它的报文会被优先发送;TX0的优先级最低。当检测到某一缓冲器为空时，就可以清除其中断标志，然后将CAN报文装载进入，最后启动发送命令。启动发送命令后，该程序即结束。

③CAN总线报文接收程序

当MCP2515产生接收中断时，微控制器就要开启CAN报文接收程序。开始接收报文时，要检测中断标志位，以确定是哪个接收缓冲器产生接收中断。MCP2515有RX0和RX1两个接收缓冲器，其中RX0的优先级较高。由于接收缓冲器存在优先级，所以不存在两个接收缓冲器同时产生中断的情况，每次接收中断只会由其中的一个接收缓冲器产生。

④无线发送程序

当接收完CAN报文后，就要执行无线发送程序，将CAN报文发送出去。发送前先复位发送指针，然后写入接收机的地址。不同的地址对应不同的RF903模块。写入数据后令RF903进入发送状态，自动将数据发送出去。待数据发送完成后，将RF903的状态设为接收状态，进行自动监测，并等待接收无线CAN报文。

⑤无线接收程序

当RF903接收到无线CAN报文后，微控制器就要执行无线接收程序，读取并暂存数据，并将报文发送到CAN总线网络。在复位接收指针后要对数据进行CRC校验检测，如果校验错误，说明接收的数据有错，应该放弃接收;只有校验正确的数据才会被接收。读取数据前先发送读数据命令，然后就可以将数据读取到微控制器内暂存。读取数据完成后，为避免丢失需要接收的数据，应重新设定RF903模块，以确保其能进入接收状态，并进行实时监测。

4 系统测试与分析

4.1 测试选用材料与仪器设备

测试仪器设备主要包括以下几种。

① Kvaser USBCAN II是瑞典Kvaser公司开发的专业CAN总线分析仪。它与Kvaser公司开发的CAN总线数据测试软件CanKing结合使用能够检测和发送符合CAN协议标准的信号，并在计算机显示器上加以显示，从而便于对CAN报文的各部分进行分析。

②CAN节点模块XhoCAN，该模块可以收发 CAN总线报文。

③自主开发的系统电路板两块。

④计算机一台、导线若干。

4.2 测试过程与步骤

测试过程与步骤具体如下。

① 将 Kvaser USBCAN II与计算机相连，打开CanKing软件，将CAN通信波特率设置为500 kbit/s。

②将Kvaser USBCAN II的CAN接口与CAN节点模块的CAN接口相连，启动CanKing软件接收CAN节点模块发出的CAN报文。

③将CAN节点模块的CAN接口与本系统其中一个模块的CAN接口相连，然后将Kvaser USBCAN II的CAN接口与本系统另一个模块的CAN接口相连。通过CanKing测试CAN节点模块发送的CAN报文，并将它和直接测试的报文进行对比。

④将Kvaser USBCAN II的CAN接口与本系统其中一个模块的CAN接口相连，然后将CAN节点模块的CAN接口与本系统另外一个模块的CAN接口相连，并将CAN节点模块通过串口与电脑相连，同时打开CanKing软件的报文发送窗口。在发送窗口中设置好报文标志符、数据长度和各个数据后，按下“Send”键，将CAN报文通过本系统发送到CAN节点模块，CAN节点模块会将接收到的报文通过串口发送到计算机，并在STC-ISP显示收到的数据。

⑤设置不同的报文信息，将重复多次发送不同的报文与原来设定的报文进行比较。

4.3 软件设计

4.3.1 Kvaser USBCAN II的接收测试

Kvaser USBCAN II的接收测试步骤如下。

①直接进行测试时的数据

在4.2章节的测试步骤②中，通过 Kvaser USBCAN II对 CAN节点模块直接进行测试时，在CanKing软件中测试 CAN报文。其中，“Chn”指Kvaser USBCAN II的测试通道。“Identifier”是报文标志符，简称ID。“Flg”指示报文是标准帧还是扩展帧，显示“X”时为扩展帧，没显示“X”时为标准帧。“DLC”指示数据长度，“D1”～“D7”是数据场的8 B数据。“Time”显示接收到报文的时间。“Dir”指示Kvaser USBCAN II的工作模式，接收时为“R”，发送时为“T”。数据窗口的数据是以十进制的形式显示的。

②连接无线CAN系统进行测试时的数据

在4.2章节的测试步骤③中，采用 Kvaser USBCAN II对CAN节点模块CAN报文进行测试。测试结果表明，本系统的模块也主要用来发送3个固定标志符的CAN报文。测试到标志符为180093185、347604230和356516355的3个报文。对于同一个标志符的报文，若测试步骤②和步骤③测试的结果从“Flg”到“D7”每个位置的数据都相同，则步骤②和步骤③的测试结果是相同的，说明CAN节点模块可以通过本系统将报文发送到其他节点。

4.3.2 Kvaser USBCAN II的发送测试

Kvaser USBCAN II的发送测试步骤具体如下。

①通过CanKing软件发送预定义的报文数据

在4.2章节的测试步骤④和步骤⑤中，通过CanKing软件的发送窗口预定义了10个CAN报文，并将它们发送到本系统的其中1个模块。试验结果表明，10个CAN报文的标志符和数据场都不相同，有些是标准帧，有些是扩展帧。

②通过STC-ISP显示接收到的报文数据

在4.2章节的测试步骤④和步骤⑤中，通过STPISP将CAN节点模块接收到的报文信息加以显示，结果显示有10行数据，每行表示一个报文，分别对应通过CanKing软件预定义的10个报文，数据以十六进制形式显示。报文的第一列表示从MCP2515的“接收缓冲器标准标志符高位”寄存器读取的数据，第二列表示从MCP2515的“接收缓冲器标准标志符低位”寄存器读取的数据，第三列表示从MCP2515的“接收缓冲器扩展标志符高位”寄存器读取的数据，第四列表示从MCP2515的“接收缓冲器扩展标志符低位”寄存器读取的数据，第五列表示从MCP2515的“接收缓冲器数据长度码”寄存器读取的数据，第六列至第十三列分别表示从MCP2515的8个“接收缓冲器数据段字节”寄存器读取的数据。

为更好地分析报文的标志符、数据长度和各个数据段字节，将各个报文转换成更直观的信息，具体如表1所示。

以报文1、报文3和报文5为例，将通过CanKing软件预定义的报文与STC-ISP显示的报文进行对比，对比结果如表2所示。

表2 报文对比表Tab.2 Inter-comparison of the messages

表2表明，2种方式显示的3个报文的标志符分别为170、256和135。对于同一个标志符的报文，3种方式显示的结果从“Flg”到“D7”的每个位置的数据都相同，则这2种方式对这3个报文的显示结果是相同的。用相同的方法将其他报文进行对比，可以发现，这2种方式显示的其他报文信息也是相同的，说明可以采用CanKing软件通过本系统将报文发送到其他节点。

整个测试过程表明，本系统可以运用CAN总线分析仪Kvaser USBCAN II进行CAN报文的收发。本系统传送的报文错误率为0，能够将CAN节点发送的报文传送到另一端的CAN节点。本系统的通信符合CAN协议标准，可与其他符合CAN协议标准的网络相连，实现CAN总线数据的无线传送。该系统可以应用于工农业等信息传输领域。

5 结束语

运用无线局域网技术实现了CAN总线数据的无线传送系统构建。CAN总线数据无线传送系统由2个节点组成，每个节点在不断地监测自身连接的CAN总线网络，并将正确接收到的CAN报文通过无线方式发送到另一节点。系统的软件采用C语言编写，模块化的软件设计具有良好的可靠性及可移植性。系统无须改变硬件结构，只需对程序进行修改即可实现无线通信。系统的通信符合CAN协议标准，可与其他符合CAN协议标准的网络相连，以实现CAN总线数据的无线传送。通过CAN总线分析仪Kvaser USBCAN II，可实现对CAN报文的收发。

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