异构CAN 总线节点通信系统设计

郝 彬，李树凤，王志琳，刘新月

（1.天津职业技术师范大学电子工程学院，天津 300222；2.科信达通（天津） 科技发展有限公司，天津 300101）

CAN（controller area network）[1]总线获得了业界的认可，其应用场景也从汽车领域[2-3]延伸至工业自动化[4]、船舶、医疗设备[5]、工业设备[6-7]等领域，用途十分广泛。在我国北方，大棚种植瓜果、蔬菜是广大农民发展多种经营、增加经济收入的重要手段。在大棚技术[8]管理方面涉及的内容很多，主要有光照、温度、病虫害、防霜冻等。在北方的冬季，气温较低，为了保持大棚内的温度，防止冻害，往往要在塑料薄膜上覆盖一层或多层草苫，这样虽可起到保温的作用，但会影响光照作用。而有时虽然不需要覆盖草苫，但是受到北方雾霾、阴雪天气的影响，也会影响大棚内作物的采光种植，所以为大棚内植物提供充足的光照是一项重要的技术问题。为实现大棚内照明，目前大多采用LED 照明光源[9]，在大棚内进行多点布设。针对各LED照明节点，本文研究了基于CAN 总线互联的多照明节点的连接和控制方式，并分析了采用不同控制芯片的CAN 照明节点的互联问题。

1 系统设计

CAN 总线的物理连接只需2 根线，常记为CAN_H和CAN_L，通过差分信号进行传输。CAN 总线网络是一种真正的多主机网络，其网络拓扑如图1 所示。

图1 CAN 通信系统拓扑图

在总线处于空闲状态时，任何一个节点单元都可以申请成为主机，向总线发送消息。最先访问总线的节点单元可以获得总线的控制权；多个节点单元同时尝试获取总线的控制权时，将发生仲裁事件，只有优先级高的节点单元能获得总线的控制权。

CAN 总线的通信速率和总线长度有关，在总线长度小于40 m 的场合中，数据传输速率可以达到1 Mbps，而即使总线长度达到1 000 m，数据传输速度仍可达到50 kbps，明显优于RS232 和RS485 等通信方式。CAN 总线上的节点数理论上没有上限，但在实际中受到总线上的时延以及电气负载的限制，这种传输距离完全可以满足大棚内的布线要求。

由图1 可知，每个通信节点由微控制器、CAN 控制器、CAN 收发器3 部分组成。在构造CAN 总线通信节点时，可以选择不同厂家的微控制器、CAN 控制器和CAN 收发器。目前，市场上具有代表性的CAN 控制器有恩智浦公司的SJA1000，在CAN 收发器方面，有恩智浦公司的PCA82C250 和TJA1050。为提升产品的综合性能，很多微控制器厂商提供集成了CAN 控制器的MCU 产品，如意法半导体（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 位单片机等。

在一个CAN 总线网络中采用完全一致的CAN 节点设计无疑是最为方便的方案，但由于功能、成本或其他方面因素的考虑，在同一个CAN 总线网络上，各CAN 节点会采用不同的实现方案。这时就必须解决异构CAN 节点的互联互通问题。本文以照明控制应用为案例，从实用角度出发，阐述异构CAN 节点间实现互联互通时所涉及的主要技术问题。

2 节点电路实现方式

在本文设计的照明控制系统中，CAN 网络由一个主节点和多个从节点组成。主节点负责多点数据采集和信息显示，采用意法半导体（ST）的32 位STM32F103作为控制器[10-11]，STM32F103 微控制器内置了bx（basic extended）CAN 控制器，集成度高。各从节点主要功能是负责区域内的照度信号检测，以及控制一组LED 照明灯的光照强度调节。出于项目的继承性和成本方面的考虑，各子节点采用宏晶科技（STC）的STC89C52RC的8 位51 单片机作为节点控制器，实现节点控制和CAN 通信功能。相应的节点框图如图2 所示。

图2 CAN 通信系统拓扑图

2.1 STM32控制的CAN节点

在硬件上，STM32F103 内部集成一个bxCAN 控制器。bxCAN 控制器支持2.0A 和2.0B 的CAN 协议，只需外接1 个CAN 收发器TJA1050，即可满足CAN 通信的硬件要求。硬件电路如图3 所示。

图3 STM32F103 控制的CAN 节点电路图

由图3 可知，STM32F103 的bxCAN 协议控制器的发送引脚（CAN_TX）为PA12，接收引脚（CAN_RX）为PA11，与CAN 收发器TJA1050 对应的串行数据输出TXD 和串行数据输入RXD 相连。TJA1050 通过其2 个有差动接收和发送能力的总线终端CANH 和CANL 连接到CAN 总线网络。

2.2 STC89C52RC控制的CAN节点

STC89C52RC 是一款功能单一的传统8 位51单片机，如要实现CAN 总线通信功能需外扩独立的CAN 总线控制器和收发器，如图2 所示。在实际应用中，CAN 控制器选用SJA1000[12]，收发器采用PCA82C250，二者均为恩智浦公司的产品。SJA1000 是一款独立的CAN 控制器，支持CAN2.0 协议的新特性。其地址/数据复用总线AD0-AD7 与STSTC89C52RC的P0 口相连，做为单片机的外部存储器扩展应用。ALE、RD、WR 引脚与单片机的对应引脚连接，控制读写数据操作，完成数据和地址通信。片选端CS 连接到单片机的P2.0，片选信号低电平有效。复位端RST 由单片机的P2.3 控制。SJA1000 的16 脚MODE 端接高电平选择INTEL 模式。SJA1000 的16 脚是中断信号输出，接到STSTC89C52RC 的INT1，使单片机以中断方式接收CAN 总线的数据。XTAL1 和XTAL2 共2 个引脚接16 MHz 的晶体，为SJA1000 数据的发送以及校验等功能提供时钟。

SJA1000 的TX0、RX0 连接到CAN 收发器PCA82-C250 的对应引脚，数据帧就可以传送到总线上。由于控制器和收发器都需要外扩，故与STM32 相比，STC89C52RC 实现的CAN 节点硬件电路要复杂一些。

3 节点波特率

在完成了硬件设计后，具体通信功能要依靠软件来实现。同其他串行通信方式一样，CAN 总线在通信时，各节点要具有相同的波特率。

3.1 STM32控制的CAN节点波特率设置

CAN 总线的数据传输速率由波特率决定，它是指发送单元在非同步状态下发送的每秒位数，也称为位速率。标准的CAN 协议的一个位可分为4 个段：同步段（SS）、传播时间段（PTS）、相位缓冲段1（PBS1）和相位缓冲段2（PBS2）。而每个段又由若干个被称为最小时间单位tq构成。STM32 将传播时间段和相位缓冲段1 合并为1 个PSB1。同步段的时长为1 个tq，相位缓冲段1 和相位缓冲段2 的时长为tq的整数倍。正常的位时间是上述3 段的时长之和。STM32 的位时序如图4所示。

图4 bxCAN 的位时序图

通信波特率是正常位时间的倒数。参见文献[6]，正常位时间=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 总线的时钟周期。BRP [9 ∶0]，TS1[3 ∶1]，TS2[2 ∶0]均在CAN 位时间寄存器（CAN_BTR）中定义。通信波特率计算式为

若取APB1 的时钟频率为36 MHz，BRP[9 ∶0] =47，TS1[3 ∶1]=2，TS2[2 ∶0]=1，则可计算出波特率为125 kbps，即为应用实例使用的波特率。

3.2 STC89C52RC节点波特率设置

由51 单片机控制的CAN 节点是通过STC89C52RC设置CAN 控制器SJA1000 的相应寄存器来实现的。在SJA1000 中CAN 总线的位时间采用了与STM32 相类似的描述方式，因是不同厂家的产品，故使用了不同的称谓。在SJA1000 中，位时间的最小单位称为CAN 系统时钟周期，用Tscl表示，对应STM32 中的tq。每一位也是由同步段、时间段1、时间段2 组成，分别用Tsyncseg、Tseg1、Tseg2表示，与STM32 中的同步段、相位缓冲段1 和相位缓冲段2 对应。

由于CPU 的架构不同，具体的寄存器设置方式也不同，这是实现CAN 总线通信的关键技术细节。CAN系统时钟周期为

式中：BRP.5 是总线定时器（BTR0）中BRP.5 位的设置状态，只有0 或1 这2 种可能；第BRP.4 位、BRP.3 位、BRP.2 位、BRP.1 位和BRP.0 位的设置状态一并代入式（2）计算；Tclk是SJA1000 外部晶振的频率周期，使用16 M 外部晶振。

在SJA1000 中，3 个段的计算式为

式（4）中，Tseg1.3、Tseg1.2、Tseg1.1、Tseg1.0 是总线定时器（BTR1）中对应的位设置，式（5）中Tseg2.2、Tseg2.1、Tseg2.0也是总线定时器（BTR1）中对应的位设置。

在SJA1000 中

在应用实例中，设置总线定时器0 预设值0x03，即BRP0=0x03，即BRP.1 和BRP.0 为1，其余位为0。由式（2）可计算出CAN 系统时钟周期Tscl=2×（2+1+1）/16 M。

总线定时器（BTR1）的设置值0x1C，即BTR1 =0x1C，即Tseg1.3=1，Tseg1.2=1，Tseg2.0=1，其他位为0，相应可以计算出Tseg1= Tscl×（8 + 4 + 1）=13Tscl，Tseg2=Tscl×（1+1）=2Tscl，将其代入式（6）得

位时间=Tsyncseg+Tseg1+Tseg2=16×Tscl

波特率=1/（16×Tscl）=125 kbps

与前述STM32 设置的通信速率保持一致。

STC89C52RC 对SJA1000 的访问是按照外部存储器方式来实现的，所以访问的基地址即为0xFE00，地址范围0xFE00～0xFFFF，采用宏定义语句#define SJA_BASE_ADR0xFE00，定义该基地址后，对SJA1000 的存储器的方式就是在该基地址基础上加上相应的偏移量，如发送缓冲区的第1 个字节位于第17 个寄存器，其地址为#defineSJA_RBSR0XBYTE[SJA_BASE_ADR+0x10]。

针对STC89C52RC 控制节点按照上述波特率设置方式对SJA1000 进行软件编程，保证主、从节点使用的波特率相同，即可实现51 单片机控制的各个从节点与STM32 控制的主节点的数据通信，从而构建基于CAN 总线的多节点照明系统。

4 验证系统搭建

依据上述方案，项目组搭建了1 个主节点和3 个从节点的演示验证系统。主控节点采用STM32F103RBT6芯片，如图5（a）所示，从节点采用STC89C52RC 单片机控制，由于与从节点配套的CAN 控制器SJA1000是一个单独芯片，故采用了模块化设计，单独设计了一个小印制板，采用插卡式安装，如图5（b）所示。

图5 演示验证系统

这种设计方案既方便维修，又利于系统的升级换代。如在系统小型化设计时，需要将插装的单片机芯片改为贴片设计，只需重新设计上部的主控板。演示验证系统中，主、从节点CAN 总线通信波特率均设置为125 kbps，可实现主节点对从节点的光照强度控制及各从节点的状态轮询。为降低节点成本，照明节点采用价格较低的LED 灯头作为照明光源，LED 灯头的供电驱动为自主设计的LED 驱动板，驱动芯片使用AMC7150，而照明灯头直接采购市场上现成的产品。

5 结 语

本文设计实现了采用不同主控芯片，通过CAN 总线通信，实现多LED 照明节点控制系统。主节点功能为多点数据采集和信息显示，采用意法半导体（ST）的32 位STM32F103 作为控制器，内置了bxCAN 控制器。从节点采用低价的STC89C52RC 单片机，需外扩款独立的CAN 控制器SJA1000。根据上述方案，本文搭建1 个主节点和3 个从节点的演示验证系统。所有节点CAN 总线通信波特率均设置为125 kbps，可实现节点间通信控制。系统采用的异构CAN 节点通信技术，也可用于其他通信网络中，具有一定的应用推广价值。