基于CAN總線通信協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 前言
控制器局域網(wǎng)（CAN－Controller Area Network）屬于現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）的范疇，是眾多的屬于現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之一，它適用于工業(yè)控制系統(tǒng)，具有通信速率高、可靠性強(qiáng)、連接方便、性能價(jià)格比高等諸多特點(diǎn)。它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，以其短報(bào)文幀及CSMA/CD-AMP（帶有信息優(yōu)先權(quán)及沖突檢測(cè)的載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)）的MAC（媒介訪問(wèn)控制）方式而倍受工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中設(shè)備互連的厚愛(ài)。CAN的應(yīng)用范圍遍及從高速網(wǎng)絡(luò)到低成本的多線路網(wǎng)絡(luò)，它可以應(yīng)用于汽車系統(tǒng)、機(jī)械、技術(shù)設(shè)備和工業(yè)自動(dòng)化里幾乎任何類型的數(shù)據(jù)通信。CAN具有如一下優(yōu)點(diǎn)：
1）使用簡(jiǎn)單方便。許多CAN控制器實(shí)現(xiàn)了CAN物理層及數(shù)據(jù)鏈路層的大部分功能，用戶只須對(duì)CAN控制器進(jìn)行初始化和對(duì)CAN總線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)操作即可實(shí)現(xiàn)通信；
2）高可靠性。CAN上的最大通信速率可達(dá)1Mbps，CAN總線是多主節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)通過(guò)總線仲裁獲得總線控制權(quán)。完善的錯(cuò)誤處理機(jī)制保證了高噪聲干擾環(huán)境下數(shù)據(jù)傳送的安全可靠；
3）系統(tǒng)可擴(kuò)展性能好。CAN總線是基于發(fā)送報(bào)文的編碼，而不是對(duì)CAN控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編碼，故增添或刪除CAN節(jié)點(diǎn)不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成太大的影響。
CAN總線以報(bào)文為單位進(jìn)行信息傳送，它支持4種不同類型的報(bào)文幀：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、超載幀和錯(cuò)誤幀。報(bào)文中包含信息標(biāo)識(shí)符ID，它標(biāo)志了報(bào)文的優(yōu)先權(quán)。CAN總線上各個(gè)節(jié)點(diǎn)都可主動(dòng)發(fā)送，總線上的報(bào)文采用標(biāo)識(shí)符ID進(jìn)行仲裁，ID值越小，優(yōu)先級(jí)越高。具有最高優(yōu)先權(quán)報(bào)文的節(jié)點(diǎn)贏得總線使用權(quán)，而其它節(jié)點(diǎn)自動(dòng)停比發(fā)送。在總線再次空閑后，這些節(jié)點(diǎn)將自動(dòng)重發(fā)原報(bào)文。網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都可由ID來(lái)自動(dòng)決定是否接收該報(bào)文。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有ID寄存器和屏蔽寄存器接收到的報(bào)文只有與該屏蔽的功能相同時(shí)，該節(jié)點(diǎn)才開(kāi)始正式接收?qǐng)?bào)文，否則它將不理睬ID后面的報(bào)文。這使CAN系統(tǒng)非常靈活，可任意擴(kuò)展或改變網(wǎng)絡(luò)組成。
C8051F系列單片機(jī)是集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)SOC（System on chip），具有與MCS-51內(nèi)核及指令集完全兼容的微控制器，除具有標(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)還集成數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設(shè)及功能部件。正是由于其體積小、集成度高、功能多、配置容易、使用方便等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于智能儀表、數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)化控制等領(lǐng)域。因此本文采用C8051F120設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)CAN總線通信協(xié)議，充分發(fā)揮其體積小、可靠性高的特點(diǎn)。C8051F120是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)MCU芯片，具有64個(gè)數(shù)字I/O引腳（100腳TQFP封裝）。
2 數(shù)據(jù)傳輸格式的制定
在CAN2.0規(guī)范中規(guī)定，每次收發(fā)最多只能傳送8字節(jié).這可以滿足大多數(shù)工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工控狀態(tài)和測(cè)試數(shù)據(jù)的一般要求；但實(shí)際應(yīng)用中，往往出現(xiàn)傳送多于8字節(jié)的要求，此時(shí)應(yīng)通過(guò)報(bào)文的拆卸和拼接技術(shù)予以實(shí)現(xiàn)。本文在CAN2.0A的基礎(chǔ)上，定義了簡(jiǎn)單的傳輸格式，完成了單幀數(shù)據(jù)和多幀數(shù)據(jù)準(zhǔn)確快捷的傳輸。
信息傳遞格式如表一所示:

其中，各位的含義如下：
FF:0表示為標(biāo)準(zhǔn)格式，1表示為擴(kuò)展格式；
RTR:0表示為數(shù)據(jù)幀，1表示為遠(yuǎn)程幀；
DLC.X:數(shù)據(jù)長(zhǎng)度代碼位（0～8）；
ID.X:信息標(biāo)識(shí)符位:
ID.28～I(xiàn)D.26為信息功能標(biāo)識(shí)
ID.25～I(xiàn)D.21為接收任務(wù)標(biāo)識(shí)
ID.20～I(xiàn)D.18為接收節(jié)點(diǎn)地址標(biāo)識(shí)
X :保留位，默認(rèn)為0，不能對(duì)保留位進(jìn)行寫(xiě)操作；
DATAO:數(shù)據(jù)場(chǎng)的第一個(gè)字節(jié)，本協(xié)議中用來(lái)表明數(shù)據(jù)的屬性；
DATA0.7～DATAO.5為發(fā)送節(jié)點(diǎn)地址標(biāo)識(shí)；
DATA0.4～DATAO.1為數(shù)據(jù)功能標(biāo)識(shí)
DATA0.0 0為擴(kuò)展位，‘0’ 表明數(shù)據(jù)長(zhǎng)度小于8不用擴(kuò)展，‘1’ 表示數(shù)據(jù)長(zhǎng)度大于8需要擴(kuò)展DATA1作傳遞次數(shù)索引。
DATA1: DATAO.0為0時(shí)，傳遞數(shù)據(jù)；DATAO.0為1時(shí)，為數(shù)據(jù)傳遞次數(shù)的索引。