基于CAN控制器的對等式單片機(jī)多機(jī)系統(tǒng)的通信

摘要：針對單片機(jī)多機(jī)系統(tǒng)主從式通信的缺點(diǎn)，提也了利用CAN控制器實現(xiàn)單片機(jī)多機(jī)系統(tǒng)對等式通信，并對其硬件組成原理、通信程序的設(shè)計做了詳細(xì)的分析。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)多機(jī)系統(tǒng) “對等式”通信 控制器局域網(wǎng)（CAN）

關(guān)于單片機(jī)的多機(jī)通信，許多文章及相關(guān)書籍都有介紹，但就其多機(jī)通信的方式而言大多為“主從式”，這一通信方式限制了單片機(jī)功能的發(fā)揮及廣泛的應(yīng)用。雖然文獻(xiàn)[1]利用巧秒的硬件手段實現(xiàn)了單片機(jī)多機(jī)之間的“對等式”通信，但其通信方式實質(zhì)上仍是“主從式”。本文介紹了一種基于CAN控制器的單片機(jī)多機(jī)系統(tǒng)，從本質(zhì)上實現(xiàn)了任意兩機(jī)之間直接相互通信，從而克服了“主從式”多機(jī)通信的缺點(diǎn)。

1 CAN技術(shù)簡介

CAN（Controller Area Net）即控制器局域網(wǎng)，是主要用于各種過程（設(shè)備）監(jiān)測及控制的一種網(wǎng)絡(luò)。CAN最初是則德國BOSCH公司為汽車的監(jiān)測、控制系統(tǒng)而設(shè)計的。由于CAN具有卓越的特性的極高的可靠必，特別適合于工業(yè)過程中監(jiān)控設(shè)備的互連，因此，越來越受到工業(yè)界的重視。具本來說，CAN具有如下特性：

（1） CAN可以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意一個節(jié)點(diǎn)均可以在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活；

（2） CAN可以點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)（成組）及全局廣播方式傳送接收數(shù)據(jù)；

（3） CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息可分成不同的優(yōu)先級，可以滿足不同的實時要求；

（4） CAN采用非破壞性總線仲載技術(shù)。當(dāng)兩個節(jié)點(diǎn)是向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級低的點(diǎn)主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，大大地節(jié)省了總線仲載沖突時間，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓；

（5） CAN的直接通信距離最大可達(dá)10km（速率小于5kbps），最高通信速率可達(dá)1Mkbps（此時距離最長為40m）。

2 基于CAN控制器的對等式單片機(jī)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1.1 系統(tǒng)組成原理及通信過程

所謂對等式通信，就是單片機(jī)多機(jī)系統(tǒng)中任一節(jié)均可主動地與其它節(jié)點(diǎn)直接交換數(shù)據(jù)，而無須經(jīng)過第三方。從此角度出發(fā)，我們設(shè)計的基于CAN控制順的單片機(jī)多機(jī)系統(tǒng)組成如圖1所示。

系統(tǒng)中的每個節(jié)點(diǎn)由單片機(jī)、CAN控制器、CAN由發(fā)器組成。單片機(jī)主要用于系統(tǒng)的計算及信息處理等功能；CAN控制器主要用于系統(tǒng)的通信；CAN收發(fā)器主要用于增強(qiáng)系統(tǒng)的驅(qū)動能力。系統(tǒng)的發(fā)送過程是：單片機(jī)將外圍設(shè)備或其他節(jié)點(diǎn)傳送過來的信息處理后，按CAN規(guī)范規(guī)定的格式將其寫入CAN控制器的發(fā)關(guān)緩沖區(qū)，并啟動發(fā)送命令，把數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上；接收過程是：CAN控制器從CAN總線上自動接收數(shù)據(jù)，并經(jīng)過濾后存入CAN接收緩沖區(qū)，且向單片機(jī)發(fā)出中斷請求，此時單片機(jī)可從CAN擋收緩沖區(qū)讀要接收的數(shù)據(jù)。

2.1.2 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計舉例

圖2是所研制的低成本農(nóng)業(yè)溫度控制系統(tǒng)中與本文相關(guān)部分的硬件電路圖。

設(shè)計是應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1） 總線兩端各有一個120Ω的電阻，對于匹配總線阻抗起著相當(dāng)重要的作用。否則，數(shù)據(jù)通信的抗干擾性及可靠性大大降低，甚至無法通信。

（2） 為了CAN與單片機(jī)之間時序的同步，一般采用CAN控制器給單片機(jī)提供時鐘信號，此時時鐘信號對CHMOS型單片機(jī)應(yīng)接XTALI引腳，對HMOS型單片機(jī)接XTAL2引腳。

（3） 若CAN收發(fā)緩沖器采用集成元器件，則RX1腳應(yīng)接地，且CDR位應(yīng)置邏輯1。否則，RXI引腳電位必需維持在內(nèi)2.5V以上，且CDR寄存器中的CBP位應(yīng)置邏輯0，以形成CAN要求的邏輯電平。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計的關(guān)鍵是通信程序的設(shè)計。通信軟件由三部分組成：初如化程序、發(fā)送程序、接收程序。由于系統(tǒng)中任意一節(jié)點(diǎn)在任意時刻均可主動與其它節(jié)點(diǎn)通信，所以，各世點(diǎn)的通信程序相同。

2.2.1 初始化程序

初始化程序主要是通過對CAN控制器控制段中的寄存儲器寫入控制字從而確定CAN控制器工作方式等。有三種方式進(jìn)入初始化和諧：一是上電復(fù)位；二是硬件復(fù)位；三是軟件復(fù)位，即運(yùn)行期間通過給CAN控制器發(fā)一個復(fù)位請求，置復(fù)位請求位為1。在復(fù)位期間，必需初始化的寄存器有：MR(PeliCAN模式)模式寄存器、CDR時分寄存器、ACR接收代碼寄存器、MAR屏蔽寄存器、BTR總線定時寄存器、OCR輸出控制寄存器。需要注意的是，這些寄存器僅能在復(fù)位期間可寫訪問。因此，在對這些寄存器初始化前，必須確保系統(tǒng)進(jìn)入了復(fù)位狀態(tài)。初始化程序的流程圖如圖3所示。

2.2.2 發(fā)送程序

信息從CAN控制器發(fā)送到CAN總線是由CAN挖掘器自動完成的。發(fā)送程序只需把發(fā)送的信息幀送到CAN的發(fā)送緩沖區(qū)，且啟動發(fā)送命令即可。發(fā)送程序可采用查詢方式或中斷方式比較簡單，這里僅討論中斷方式發(fā)送程序的設(shè)計。對于中斷方式，發(fā)送程序分為兩部分：一是主程序；二是中斷服務(wù)程序。主程序主要用于控制信息發(fā)送及當(dāng)發(fā)送緩沖區(qū)滿時，把發(fā)送的信息暫存到臨時存儲區(qū)；中斷發(fā)送程序負(fù)責(zé)把臨時存儲區(qū)的暫存信息發(fā)送出去。兩者的流程圖如圖分別見圖4、圖5。

2.2.3 接收程序

信息從CAN總線到CAN接收緩沖區(qū)是由CAN控制器自動完成的。接收程序只需從接收緩沖區(qū)讀取要接的信息即可。接收程序也可采用查詢方式或中斷方式，兩者的繁簡程度相當(dāng)，此處經(jīng)查詢方式為例給出接收程序的流程圖（見圖6）。

以上給出的流程圖均為一般性流程圖。在使用時應(yīng)結(jié)合實際項目具體化，并且發(fā)送程序中可能會有應(yīng)急處理，接收程序中會有數(shù)據(jù)過載情況。限于篇幅，此處不予以討論。

基于CAN控制器的單片機(jī)多機(jī)通信系統(tǒng)，由于其通信效率高、抗干擾性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)，適合于中小型分布式控制系統(tǒng)，且由于其價格低廉，在低成本自動化領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用空間。