基于CAN总线的无线通讯模块研制

步丰盛

（西南交通大学，四川 成都 611756）

本文在对现有的CAN总线技术和ZigBee无线通讯技术的研究成果和应用实例进行分析和总结的基础上不仅完成基于CAN总线的ZigBee无线通讯模块的系统整体设计，并且，在硬件方面，完成了系统的硬件设计；在软件方面，实现了CAN总线的基本功能和CAN总线通过无线的方式与上位机的通讯。本文所设计的基于CAN总线的ZigBee无线通讯模块是一种实验性的系统，若要运用于实际生产中，还需要进一步的完善改进。

1 简介

现场总线近年来发展迅速，CAN总线作为现场总线的一种，由于采用了新技术和独特的设计，具有突出的可靠性、实时性和灵活性，而被广泛的应用。ZigBee技术是一种新的短矩离无线通信技术,它具有成本低、体积小、能量消耗小和传输速率低的特性被应用到诸如工业控制、环境监测、商业监控、汽车电子、家庭自动化等低速率网络应用场合。随着无线通讯技术的迅猛发展，无线通讯技术被越来越多的应用到了控制领域。

本文在介绍CAN总线协议和zigbee协议栈的基础上，给出了一种基于CAN总线的zigbee无线通讯系统的软硬件设计方案。文中介绍了SJA1000CAN总线控制器，CC2430无线单片机，P87C52单片机的使用方法。本文所要完成以下的任务：了解CAN协议和ZigBee协议栈，完成系统设计方案。

2 CAN总线的网络结构

2.1 网络结构

CAN协议是一串行通讯协议，CAN 总线规范规定了任意两个CAN节点之间的兼容性包括电气特性及数据解释协议。CAN总线是建立在OSI参考模型基础上的，不过只采用了其中最关键的两层，即物理层和数据链路层（如图1）。数据链路层的主要功能是将要发送的数据进行封装，即加上差错校验位、数据链路协议的控制信息头尾标记等附加信息组成数据帧，从物理信道上发送出去，在接收到数据帧后，再把附加信息去掉，得到通信数据；物理层的主要内容是规定了通信介质的机械、电气、功能和规程特性。CAN总线的物理层和数据链路层的功能是在CAN控制器中完成的。

图1 CAN协议结构

2.2 CAN总线的访问和仲裁

只要总线空闲，任何节点都可以向总线发送报文。如果有两个或两个以上的节点同时发送报文，就会引起总线访问碰撞。通过使用标识符的逐位仲裁可以解决这个碰撞。仲裁的机制确保了报文和时间均不损失。当具有相同标识符的数据帧和远程帧同时发送时，数据帧优先于远程帧。在仲裁期间，每一个发送器都对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较。如果电平相同，则这个单元可以继续发送，如果发送的是“隐性”电平而监视到的是“显性”电平，那么这个单元就失去了仲裁，必须退出发送状态。这种解决冲突的机理是基于竞争的仲裁。

2.3 错误检测

在CAN中存在5类不同的错误：①位错误；②填充错误；③CRC错误；④形式错误；⑤应答错误。在网络中的任何一个节点，根据其错误计数器的数值，可能处于下列三种状态之一。①“错误—激活”节点：一个“错误—激活”节点可以正常参与总线通信，并在检测到错误时，发出一个激活错误标志；②“错误—认可”节点：一个“错误—认可”节点不应发送激活错误标志，它参与总线通信，但在检测到错误时，发出一个认可错误标志；③“总线脱离”节点：当一个节点由于请求故障界定实体而对总线处于关闭状态时，其处于“总线脱离”状态。在“总线脱离”状态下，节点既不发送，也不接收任何帧。只有应用户请求，节点才能解脱总线脱离状态。

3 系统分析

该系统的主要功能是使用无线通讯技术实现CAN总线与上位机的交互通信。由于这套系统是应用在现场的，因此其要具有以下的特点：系统具有广泛的通用性；具有较高的可靠性；具有低功耗的特点。

我们能够得出数据在整个系统中的传输过程，即ZIGBEE数据包←→数据←→CAN总线数据包。在系统中无线通信模块采用ZigBee无线通讯技。ZigBee技术在低数据传输率的环境下具有很高的可靠性与稳定性，并且还具有低功耗低成本的特点。CAN总线传输采用CAN2.0A标准，其采用11位的标识符来判别过滤信息。

4 结束语

本文所给出的只是一种理论研究学习的模块，要将其用于工业控制中去还需要做出很多改进。首先，硬件设计方面要增强电路的抗干扰能力，增加对核心电路的保护电路等。在软件方面，文中所采用的ZigBee无线通讯协议栈只是一个简化版的，需要对这部分软件在于通讯的安全性和可靠性上做出改进，CAN的部分也需要在可靠性和错误的处理能力上做出改进。

基于这种原理设计的无线通讯控制系统以其低成本，低功耗，突出的可靠性、实时性和稳定性完全可以胜任现代控制的需要。

[1]李东生.Protel 99SE电路设计技术入门与应用.电子工业出版社.2002

[2]杨斌.微机原理及接口设计原理.西南交通大学出版社.2005

[3]童长飞.C8051F系列单片机开发与C语言编程.北京航空航天大学出版社.2005.2