基于C8051的CAN多點(diǎn)實(shí)時(shí)數據通信系統

摘要 針對工業(yè)上對于多個(gè)設備實(shí)時(shí)監控的高速率、低延遲、錯誤率低、穩定性高的要求，基于C8051系列單片機設計了CAN多點(diǎn)實(shí)時(shí)數據通信系統。該系統利用CAN通信獨有的非破壞性總線(xiàn)仲裁和報文濾波技術(shù)，使得多設備與主機、多設備之間的通信變得流暢，接入方式簡(jiǎn)易。試驗結果表明，該系統通信速度快、錯誤率低、穩定性高且方便增加通信設備，與傳統的RS232、485通信系統相比，通信速率有明顯提高，可用于工業(yè)上對于多個(gè)設備的實(shí)時(shí)監控。
關(guān)鍵詞 CAN總線(xiàn)；CAN協(xié)議；多點(diǎn)實(shí)時(shí)數據通信；C8051F040

現場(chǎng)總線(xiàn)是用于過(guò)程自動(dòng)化和制造自動(dòng)化最底層的現場(chǎng)設備或現場(chǎng)儀表互連的通信網(wǎng)絡(luò )，是現場(chǎng)通信、計算機技術(shù)和控制系統的集成。它在生產(chǎn)現場(chǎng)的測量控制設備之間實(shí)現雙向串行多節點(diǎn)數字通信、完成測量控制任務(wù)；是一種開(kāi)放型的網(wǎng)絡(luò )，使測控裝置隨現場(chǎng)設備分散化，被譽(yù)為自控領(lǐng)域的局域網(wǎng)。它在制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓宇等處的自動(dòng)化系統中具有廣泛的應用前景。
CAN是Controller Area Net的縮寫(xiě)，即控制網(wǎng)絡(luò )局部網(wǎng)，是一種有效支持分布式控制或實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)路。CAN是德國B(niǎo)osh公司為汽車(chē)的檢測、控制系統而設計的。由于CAN具有卓越的特性和較高的可靠性，因而非常適合工業(yè)過(guò)程監控設備互連。CAN已經(jīng)成為一種國際標準(ISO-11898)，是最具前途的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。

1 控制器局域網(wǎng)(CAN)
1．1 CAN總線(xiàn)的特點(diǎn)
(1)CAN總線(xiàn)以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò )上任意節點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò )上其他節點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活，且無(wú)需考慮接收者地址的優(yōu)先級。
(2)CAN網(wǎng)絡(luò )上的節點(diǎn)信息分不同的優(yōu)先級，可滿(mǎn)足不同的實(shí)時(shí)要求，高優(yōu)先級的數據最多可在134μs內得到傳輸。
(3)CAN采用非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù)，當多個(gè)節點(diǎn)同時(shí)向總線(xiàn)發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級比較低的節點(diǎn)會(huì )主動(dòng)退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節點(diǎn)可不受影響地繼續傳輸數據，從而大大節省了總線(xiàn)沖突仲裁時(shí)間。
(4)CAN只需通過(guò)報文濾波即可實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數據，無(wú)需專(zhuān)門(mén)的“調度”。
(5)CAN的直接通信距離最遠可達10 km，此時(shí)速率5 kbit·s-1；通信速率最高可達1 Mbit·s-1，此時(shí)通信距離最長(cháng)為40 m。
(6)CAN的節點(diǎn)數主要取決于總線(xiàn)驅動(dòng)電路，目前可達110個(gè)；報文標識符可達2 032種(CAN2．0A)；而擴展標準(CAN2．0B)的報文標識符幾乎不受限制。
(7)采用短幀結構，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，具有良好的檢錯效果。
(8)CAN的每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，保證了數據出錯率極低。
(9)CAN的通信介質(zhì)可為雙絞線(xiàn)，同軸電纜或光纖，選擇靈活。
(10)CAN節點(diǎn)在錯誤嚴重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出的功能，這是總線(xiàn)上其他節點(diǎn)的操作不受影響。
正因為CAN總線(xiàn)具有以上這些特點(diǎn)，所以能較好地滿(mǎn)足多點(diǎn)實(shí)時(shí)數據通信平臺的要求。
1．2 CAN總線(xiàn)協(xié)議
CAN的協(xié)議結構劃分為兩層：數據鏈路層和物理層。數據鏈路層又劃分為邏輯鏈路控制子層和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制子層。物理層可分為物理信號層PLS、物理介質(zhì)連接PMA和介質(zhì)相關(guān)接口MDI。CAN的ISO／OSI參考分層結構如圖1所示。

數據鏈路層的LLC和MAC子層的服務(wù)和功能被描述為“目標層”和“傳送層”。LLC子層的主要功能是：為數據轉送和遠程數據請求提供服務(wù)，確認由LLC子層接收的報文是否已被接收，并為恢復管理和通知超載提供信息。MAC子層的功能主要是傳送規則，亦即控制幀結構、執行仲裁、錯誤檢測、出錯標定和故障界定。MAC子層也要確定何時(shí)開(kāi)始一次新的發(fā)送，總線(xiàn)是否開(kāi)放或者是否馬上開(kāi)始接收。定位時(shí)特性也是MAC子層的一部分。
物理層定義了信號怎樣進(jìn)行發(fā)送，因而涉及位定時(shí)、位編碼和同步的描述。詳細層的功能參閱文獻。
1．3 CAN多點(diǎn)實(shí)時(shí)通信
CAN是有效支持分布式(多點(diǎn))實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò )，在實(shí)際的系統設計中，用戶(hù)可以根據振蕩器時(shí)鐘頻率、總線(xiàn)波特率以及總線(xiàn)的最大傳輸距離等因素，對CAN控制器的位定時(shí)參數進(jìn)行優(yōu)化設置，協(xié)調影響位定時(shí)設置的兩個(gè)主要因素：振蕩器容差和最大總線(xiàn)長(cháng)度，合理安排位周期中采樣點(diǎn)的位置和采樣次數，保證總線(xiàn)上位流的有效同步的同時(shí)，優(yōu)化系統的通信性能，進(jìn)一步推進(jìn)CAN總線(xiàn)的應用。