摘 要： 设计了一种基于CAN总线的PC机与单片机多点通信系统。系统包括PC机、STC89S52单片机、CAN接口控制器、串行收发器等。介绍了USB转CAN通信接口的通信节点设计方案，给出了各通信节点的硬件电路和软件设计，最后进行了系统通信实验，结果表明该系统具有可靠性高、抗干扰能力强等特点。
关键词： CAN总线；单片机；多点通信
0 引言
传统的单片机串口通信中大多采用RS232或RS485串口，因其传输速率和距离（小于1.5 km）的限制，已渐渐不能满足用户系统需求，而CAN总线因其卓越的性能，被广泛应用到汽车工业、自动控制、楼宇自动化、医学设备等各个领域[1]。CAN（Controller Area Network，控制器局域网）属于现场总线的范畴，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，是国际上应用最广泛的现场总线之一[2-3]。CAN可以组建多主对等的总线通信系统；具有非破坏性总线仲裁技术，让优先级高的信息得到更快速的处理；具有强大的错误检测机制，可以检测到总线上的任何错误；采用短帧结构、位填充和CRC校验等措施，使传输具有高可靠性。这些优点使得CAN总线特别适用于工业过程监控设备的互联。在所有的CAN转接口中，USB速度快，即插即用，使用更加广泛，采用USB转CAN总线实现单片机与上位机的通信具有一定的研究与应用意义[4]。
1 系统硬件设计
1.1 系统总体设计
系统的总体结构如图1所示，硬件电路主要包括USB转CAN通信接口以及各个通信节点，每个节点由CAN收发器TJA1050、CAN控制器SJA1000和单片机STC89S52组成，CAN总线两端应串接120 ?赘的电阻，该电阻对于匹配总线阻抗起着重要作用。系统主要实现的功能为：PC机通过USB转CAN通信接口向CAN总线发送一帧CAN总线数据，相应节点在接收到CAN消息后，存储在SJA1000的接收缓冲区中，并向单片机发送中断信号，单片机在中断子程序中读取SJA1000接收缓冲区中的数据，当需要向上位机发送数据时，先由单片机将一帧CAN消息写入到SJA1000的发送缓冲区，再将其发送到CAN总线上，PC机调用接收子函数以实现CAN消息的接收。
1.2 USB转CAN模块硬件设计
该部分硬件框图如图2所示。此部分对应于图1中的USB转CAN通信接口模块。USB控制芯片采用CP2102，该芯片是一种高度集成的USB转UART桥接器，包含USB2.0全速功能控制器，符合USB2.0规范的要求。USB收发器内含512 B接收缓冲器和512 B发送缓冲器，振荡器和带有全部的调制解调器控制信号的异步串行数据总线，CP2102内置有与计算机通信的USB协议，PC机通过USB控制芯片CP2102向单片机发送CAN消息，再由单片机通过SJA1000将数据送到CAN总线上。所提供的COM口器件驱动器允许一个基于CP2102的产品作为PC机的一个COM口使用，可以像操作通用串行口的控制方式来使用这个COM口。
1.3 CAN模块节点硬件设计
CAN节点的通信核心芯片为CAN控制器和CAN驱动收发器，各节点电路图如图3所示。CAN控制器SJA1000是一种独立控制器，是PHILIPS半导体PCA82C200 CAN控制器（BasicCAN）的替代品，而且它增加了一种新的工作模式（PeliCAN），这种模式支持具有很多新特性的CAN2.0B协议[5-6]。TJA1050 符合ISO 11898标准，协议控制器通过一条串行数据输出线TxD和一条串行数据输入线RxD连接到收发器，而收发器则通过它的两个有差动接收和发送能力的总线终端CANH和CANL连接到总线线路。它的引脚S用于模式控制，参考输出电压Vef提供一个Vcc/2的额定输出电压，这个电压是作为带有模拟Rx输入的CAN控制器的参考电平。由于SJA1000具有数字输入，因此它不需要这个电压。收发器使用5 V的额定电源电压。
微处理器采用STC公司生产的STC89S52，它是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8 KB Flash，512 B RAM，3个16位定时器/计数器，4个外部中断[7]。
CAN控制器的CS片选端连接到单片机的通用I/O口上，由图3可知SJA1000基址SJA_BaseAdr即为0x7F00，数据端AD0~AD7连接到单片机的P0.0~P0.7以实现数据的交换，SJA1000的INT是终端信号输出端，在中断允许的情况下，有中断发生时，INT出现由高电平到低电平的跳变，因此此脚与单片机的外部中断输入脚INT0相连，从而使单片机可通过外部中断的方式访问SJA1000。
2 系统软件设计
2.1 各节点单片机控制程序
单片机主函数流程如图4所示。
这里单片机主要完成CAN控制器SJA1000的初始化，初始化程序中需要设置时钟分频寄存器、验收代码寄存器、验收定时寄存器和总线定时寄存器，以及数据的接收和发送。首先，微处理器关闭SJA1000的中断，然后写SJA1000的模式寄存器，将模式寄存器中的RM位置1，进入复位模式，接下来在时钟寄存器里确定使用BasicCAN模式还是PeliCAN模式，本系统采用了PeliCAN模式，验收代码寄存器和验收屏蔽寄存器的设置决定了各个节点的地址，在通信过程中起到重要作用，可以让单片机选择性地接收响应节点CAN消息，通信波特率在总线定时寄存器BTR0和BTR1中进行设置，输出寄存器配置输出位流的电平驱动形式，通过中断寄存器IR和中断使能寄存器IER设置正确的中断模式以实现CAN数据的正确收发处理，最后将模式寄存器RM位请求清0，进入工作模式。初始化程序的流程图如图5所示，关键部分程序如下：
EA=0；//关总中断
BCAN_ENTER_RETMODEL（）；//进入复位模式
BCAN_CREATE_COMMUNATION（）；//接口检测
BCAN_SET_OUTCLK（0x88）；//Pelican模式
BCAN_SET_OBJECT（0x01，0x01，0x00，0x20，0xff，0xff，0x00，0x00）；//验收码和屏蔽码
BCAN_SET_BANDRATE（ByteRate_125k）；//设置波特率
REG_OCR=0x1a；//设置输出控制寄存器
REG_INTENABLE=0x1D；//设置中断，接收
BCAN_SET_CONTROL（0x08）；
SJA=REG_CONTROL；
*SJA=*SJA&0xfe；
if（*SJA!=0x00）
return 0；//退出复位模式
发送过程单片机将要发送的数据以CAN协议规定的帧格式构成数据帧，存入SJA1000的发送缓冲区，然后写发送命令，在把数据写入发送缓冲区前，先判断SJA1000的工作状态，再决定是否发送，其发送一个数据帧的过程如图6所示，发送数据子程序如下：
Void SendMessage（unsigned char CAN_TX_data，unsigned char length1）
loop：
SJA=REG_STATUS；
temptt=*SJA；
if（（temptt&0x04）==0x00）goto loop；//循环检测等待
{
SJA=REG_RXBuffer1；//发送缓冲区1
*SJA=length1；
*SJA=CAN_TX_data；
BCAN_CMD_PRG（TR_CMD）；//请求发送
}
接收数据采用接收中断方式，单片机在中断程序中从数据口读取CAN消息，具有较高的实时性，接收数据子程序如下：
void ex0_int（void）interrupt 0 using 1
{
unsigned char tt，tt1，length，i；
SJA=REG_INTERRUPT；
if（（*SJA）&0x01）//产生接收中断
{
SJA=REG_RXBuffer1；
tt=*SJA；
tt1=*SJA；
length=tt1&0x0F；
if （（tt&0x40）!=0x40）
//将帧格式设置为数据帧
{
SJA=REG_RXBuffer4；
memcpy（RevceData，SJA_BCANAdr，length）；
//将接收到的数据存入RevceData数组中
}
BCAN_CMD_PRG（RRB_CMD）；
//释放SJA1000接收缓冲区
}
}
2.2 上位机软件设计
上位机软件基于C++语言，采用Windows API函数实现串口通信，API函数在通信任务较复杂的系统中具有优势，适合多线程编程，且通信稳定，串口的打开、关闭、读取和写入所用的函数与操作文件的函数完全一致。通过调用CreateFile（）函数打开串口，CreateFile（）函数会返回一个句柄，在随后的写串口操作中，只需在WriteFile（）函数中设置相应的入口参数，将数据转换成CAN消息格式并打包发送即可。读串口操作则是通过ReadFile（）函数实现，对接收到的CAN消息数据包解包后提取出数据段，其上位机软件工作流程如图7所示，其中发送子程序关键部分程序如下：
CAN_msg msg；//CAN消息结构体，
//结构体成员包括CAN数据地址及类型等
CAN.SendCANMessage（&msg）；//发送CAN消息，
SendCANMessage（）函数定义如下：其中pMsg为CAN消息数据包，dwTimeout为超时时间，如果发送错误，系统将返回错误信息。
CAN_ERROR RT_CAN：：
SendCANMessage（CAN_msg*pMsg，DWORD dwTimeout）
{
if（pMsg==NULL）return CAN_ERR_PARAM；
if（pMsg->ch==CAN_CONFIG_CHANNEL）
return CAN_ERR_CHANNEL；
if（WritePackage（（BYTE*）pMsg，sizeof（CAN_msg），dwTimeout）==0）
return CAN_ERR_TRANS；
return CAN_OK；
}
接收子程序关键部分如下：
RecvCANMessage（CAN_msg*pMsg，DWORD dwTimeout）
{
if（pMsg==NULL）
return CAN_ERR_PARAM；
if（WAIT_TIMEOUT==WaitForSingleObject（m_hRecvMsgEvnet，dwTimeout））
return CAN_ERR_TIMEOUT；
*pMsg=m_CANRecvMsg；
return CAN_OK；
}
在数据发送或接收完毕后，调用CloseHandle（）函数关闭串口。上位机整体界面设计如图8所示。
3 系统实验
为验证系统通信的可靠性和稳定性，实验中拟将一帧CAN消息设置为ID：01（十六进制），消息长度为8，采用标准数据帧传输一个十六进制数据，下位机采用数码管显示的方式来判断数据传输的正确性。当下位机接收到消息后，将会把此消息重新返回给上位机。经过几次反复实验，系统通信稳定、可靠。
4 结束语
由于CAN总线通信可靠、性能稳定，具有易开发和低成本等特点，近年来在自动控制等很多领域得到了越来越广泛的应用。在一些复杂系统中，不可避免地存在多点通信的情况。本文设计的基于CAN总线的PC机与单片机多点通信系统，在所有的CAN转接口中，通过USB连接到CAN总线，简化了硬件接口，提高了开发效率，具有很好的应用前景。
参考文献
[1] 李真花，崔健.CAN总线轻松入门与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.
[2] 刘维弋，金远平.基于CAN总线的通信系统的设计与实现[J].计算机技术与发展，2007，17（12）：207-209.
[3] 杨春杰，王曙光，亢红波.CAN总线技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.
[4] 张念淮.USB总线接口开发指南[M].北京：国防工业出版社，2001.
[5] 孙兵，何瑾，陈广厦.基于DSP的CAN总线与以太网互联系统研制[J].仪器仪表学报，2008，29（2）：377-380.
[6] 王平，江华丽，何花.基于单片机的CAN总线通讯应用设计[J].电子测量技术，2009，32（9）：131-135.
[7] 郭天祥.新概念51单片机C语言教程[M].北京：电子工业出版社，2009.