基于51 单片机的CAN 总线实验教学平台的设计与实现

2021-04-17苗曙光李峥方振国李淮江

山西师范大学学报（自然科学版） 2021年1期

苗曙光，李峥，方振国，李淮江

淮北师范大学物理与电子信息学院，安徽淮北235000

0 引言

由于汽车工业和智能制造业的飞速发展，导致大量企业对CAN 总线人才的需求旺盛.CAN 是控制器局域网(Controller Area Network，CAN)的简称，是由德国博世公司开发的，最初主要应用在汽车上. 由于CAN 总线具有其他总线(如RS485、RS232)所无法比拟的优点，使得其应用非常广泛. 目前，CAN 总线的应用已经不仅仅局限于汽车行业，而扩展到机械工程、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械、家用家电以及智能传感器等领域.CAN 总线已经形成国际标准，它具有较高的性价比，被公认为最有前途的现场总线之一［1］.作为培养应用型人才为主的电子信息工程等专业，单片机通信类实验教学还主要停留在RS232 串口通信，但是RS232 存在传输距离短和抗干扰性差等缺点，不适合工业现场通信，难以满足企业用人的需求［2］.另外很多高校缺少专门的CAN 总线实验平台，导致了CAN 总线实验课程无法正常开设，学生的动手能力不足.本文基于高校CAN 总线实验课程现状，以51 单片机为基础设计开发了一款口袋式的智能CAN 总线实验平台，为高校CAN 总线实验教学提供保障.

1 CAN 总线实验平台设计

1.1 CAN 总线网络框图

典型的CAN 总线系统实现方法，如图1 所示.从图中可以看出，CAN 总线节点主要由单片机控制器模块、CAN 控制器模块、CAN 收发器模块和相关传感器模块组成，各个节点通过两根CAN 信号线CANH 和CANL 并联在一起，构成一套完整的CAN 总线网络.

图1 典型的CAN 总线系统框图Fig.1 Diagram of typical CAN-bus system

1.2 CAN 控制器和收发器选型

常用的独立CAN 控制器主要有SJA1000 和MCP2515，由于SJA1000 应用较广泛，内部带有FIFO 结构，采用并行总线接口，速度较快，性能优于MCP2515. SJA1000 芯片是Philips 半导体公司PCA82C200 CAN 控制器(BasicCAN)的替代品，而且还扩展了PeliCAN 模式，对CAN2.0B 协议也有很好的支持［3，4］，因此本文CAN 控制器选型为SJA1000.

CAN 收发器提供了CAN 控制器与物理总线之间桥梁，是影响网络系统的安全性、稳定性、电磁兼容性和可靠性的主要因素，因此CAN 总线收发器在CAN 网络中具有重要作用. 常用的CAN 收发器有PCA82C250 和TJA1050 等，它们都可以提供对总线的差动发送和接收功能，都遵从ISO11898 标准的高速CAN 总线驱动器，可以在汽车和工厂现场控制中使用.但是，TJA1050 除了具有PCA82C250 的主要特性以外，在很多方面还做了进一步优化. TJA1050 的设计采用了最新的EMC 技术，它采用先进的绝缘硅(Silicon-on-Insulator，SoI)技术进行处理［5，6］，因此TJA1050 比PCA82C250 的抗电磁干扰性能提高了20 dB，本文的CAN 收发器选型为TJA1050.

图2 CAN 总线节点设计Fig.2 CAN-bus node designp

1.3 CAN 总线节点设计

基于以上选型分析，本文以目前常用的STC89C52RC 型51 单片机为基础，设计CAN 总线节点.节点原理框图如图2 所示，CAN 节点包括单片机控制模块、SJA1000 总线控制器、TJA1050 总线收发器、供电模块、显示单元、外设接口模块和CAN 信号线等.由于该节点是作为实验室CAN 实验平台使用，所以没有增加光耦隔离电路.

2 系统软件设计

CAN 总线节点的软件设计主要包括三大部分:CAN 初始化、CAN 数据发送和CAN 数据接收.

2.1 CAN 总线初始化

CAN 总线的初始化程序设计主要是通过对SJAl000 的寄存器写入相应的控制字，从而确定SJAl000的工作方式.在对SJAl000 的寄存器写入控制字时，要在SJAl000 的复位模式下采用软件复位模式［7］. 其初始化流程图如图3 所示.

2.2 CAN 数据发送流程图

报文的发送通常是由CAN 控制器根据CAN 协议规范自动完成的.首先由单片机将要发送的报文传送到发送缓冲器中，并置位命令寄存器中的发送请求标志［8］.其发送流程图如图4 所示.

图3 CAN 总线初始化Fig.3 CAN-bus initialization

2.3 CAN 数据接收流程图

当接收缓冲区状态标志为满的时候，即表明已接收一个或者多个报文.此时单片机将从CAN 控制器取出第一个报文，并置位命令寄存器中的释放接收缓冲区标志［9］.其接收流程图如图5 所示.

3 实验测试

3.1 CAN 点对点通信实验

点对点测试框图如下图6 所示，其中一块板设定为A 板，另外一块板设定为B 板，CAN 总线波特率为125 Kbps. A 板通过按键发送0x01-0x0f 数据给B板，B板接收后在本地显示，通过USB-CAN总线分析仪到计算机调试软件界面显示，结果如图7 所示.

图4 CAN 数据发送流程图Fig.4 Flowchartof CAN data transmission

图5 CAN 数据接收流程图Fig.5 Flowchart of CAN data receive

图6 点对点测试框图Fig.6 Diagram of point to point test

图7 USB-CAN 分析仪接收到的CAN 报文Fig.7 CAN message received by USB-CAN analyzer

按照图6 进行CAN 设备连接测试，通过USB-CAN 分析仪能够收到数据长度为1，数据内容为0x01-0x0f 的CAN 报文，与发送端发送的报文信息一致，测试结果如图7 所示，表明本文设计的CAN 总线实验平台的能够应用于点对点通信实验教学.

3.2 CAN 采集温湿度数据实验

温度采集网络结构如下图8 所示，其中三块CAN 实验板负责温湿度采集(温湿度传感器为DHT11)，另外一块板负责CAN232 协议转换，所有节点并联在一起，实现CAN 总线温度采集到计算机端显示的功能［10］.

图8 温湿度采集实验框图Fig.8 Diagram of temperature and humidity acquisition experiment

上位机软件采用VB6.0 开发了一个CAN 总线温湿度采集界面，通过PC 端采集到温湿度数据如下图9 所示.串口号选择的是COM4，串口波特率是9 600 bps，CAN 总线波特率为125 Kbps.1 号节点采集到的湿度是34 %，温度是25 摄氏度;2 号节点采集到的湿度是33 %，温度是24 摄氏度;3 号节点作为仅做本地采集显示，数码管显示湿度为33%，温度为24摄氏度，软件还可以显示CAN协议格式对应的数值. 由于在实验室环境测试，节点间距离比较近，两个节点的温湿度值比较接近，通过和标准温湿度计比较，误差在比较小，能够满足基本的应用需求.

4 结束语

本文以单片机为基础，设计开发了一款适用于CAN 总线实验教学的平台，通过该平台的实践教学可知，相比较传统的教学方法，具有以下优点:(1)该CAN 总线实验教学平台，不仅能够满足基本的CAN 总线通信功能的实验需求，而且可以扩展相关传感器模块，实现简单的CAN 网络项目实验. 通过实验，能够提高学生对CAN 总线的基本原理和设计方法的掌握水平. (2)该平台以51 单片机为基础，做到了实验平台的微型化“口袋式”，这样学生的实验不仅仅局限于实验室，方便学生课下进一步扩展设计，进而推动项目驱动型教学模式的开展.