基于51单片机的CAN总线系统设计

0 引言
    随着20世纪80年代初期德国Bosch公司提出CAN(Controller Area Network)总线，即控制器局域网方案以解决汽车控制装置问的通信问题。经过20多年的发展，CAN总线现在广泛的应用在汽车领域，在汽车控制系统中应用CAN总线可以使硬件方案的软件化实现，大大地简化了设计，减小了硬件成本和设计生产成本，数据共享减少了数据的重复处理，节省了成本，可以将信号线减到最少，减少布线，使成本进一步降低等优点。由于CAN总线通信的高性能、高可靠性、及独特的设计和适宜的价格可以广泛应用于工业现场控制、智能楼宇、医疗器械、交通工具以及传感器等领域，所以被公认为是几种最有前途的现场总线之一。

1 系统总体设计
    CAN总线系统总体结构如图1所示，主要包括上位机控制软件、USB-CAN转换模块、CAN节点、CAN总线介质(本处采用双绞线)组成。其中一个CAN节点通过USB接口与PC机相连，上位机控制软件能实时显示各CAN节点的数据且能通过上位机软件向各个CAN节点发送数据以控制各节点的8个发光二极管的亮或灭。

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2 系统硬件电路
    本系统由单片机外围电路、CAN总线硬件电路和USB-CAN转换电路组成。单片机外围电路包括电源电路模块、复位电路模块、串口通信模块。CAN总线硬件电路包括电气隔离模块、光耦隔离模块、CAN驱动器电路。USB-CAN转换电路包括CH375与单片机接口电路模块和USB接口电路模块。
    C8051F040单片机内部的控制器局域网(CAN)控制器是一个协议控制器，不提供物理层驱动器(即收发器)，需要外部重新接入物理层驱动器。本处采用TJ1050，TJA1050是控制器区域网络(CAN)协议控制器和物理总线之间的接口，是一种标准的高速CAN收发器。TJA1050可以为总线提供差动发送性能，为CAN控制器提供差动接收性能。
    TJA1050是PCA82C250和PCA82C251高速CAN收发器的后继产品。其功能框图如图2所示。

2．1 CAN总线抗干扰设计
    (1)总线阻抗匹配CAN总线的末端必须连接2个120 Ω的电阻，它们对总线阻抗匹配有着重要的作用，不可省略。否则，将大大降低总线数据通信时的可靠性和抗干扰性，甚至有可能导致无法通信。
    (2)在TJA1050的CANH、CANI。端与地之间并联2个30 pF的小电容，以滤除总线上的高频干扰，防止电磁辐射。
    (3)在TJA1050的CANH、CANL端与CAN总线之间各串联1个5 Ω的电阻，以限制电流，保护TJA1050免受过流冲击。
    (4)在TJA1050、TLP113等集成电路的电源端与地之间加入1个100 nF的去耦合电容，以降低干扰。

3 系统软件设计
    系统软件设计主要包括CAN通信程序和CAN-USB转换程序设计。此外为了采集CAN节点的数据并发送到上位机显示，还加入了采集单片机内部温度传感器数据程序。CAN通信程序主要完成各节点的CAN数据传输，既能向其他节点发送数据，又能接收其他节点发来的数据以控制相应的LED的亮灭。CAN-USB转换程序主要完成数据的中转，既能接收上位机发来的数据并打包成CAN协议相应的数据，又能将CAN协议数据发到上位机。温度传感器采集主要是对内部的热敏电阻上的电压经过ADC0进行AD转换并转换成实际的温度。

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3．1 CAN通信程序流程圈
    如图3所示，主要程序包括IO配置、晶振初始化、清除消息RAM、发送接收函数初始化和CAN初始化。

3．2 系统中断处理程序流程图
    系统中断处理程序流程图如图4，该程序是响应CAN控制发来的中断请求，主要完成数据的接收工作。

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3．3 USB-CAN转换程序流程
    所有的通讯都由计算机应用层发起，然后以接收到单片机的应答结束，USB-CAN转换详细流程如图5所示。

4 系统与上位机交互结果
    图6是正在采集中的上位机软件运行情况，图中2个曲线有一段大的上升和下降是因为把手指放到两个CAN节点的单片机上时造成了温度的上升，当放开手后，温度又逐渐回落。

    点击设置按钮则右上角的窗口有效，此时可以设置采样时间，该采样时间表示多长时间向下位机发送数据包。左边实时显示各节点当前的温度值，右边的曲线显示温度的变化情况。图中还显示了向节点1发送15，向节点2发送170。

5 结束语
    本文采用C8051HNO单片机作为CAN控制器，采用USB接口和上位机通信，实现了CAN总线的功能，并达到预期效果，体现了CAN总线的实用性。但USB接口芯片能达到全速模式，但是本处设计并未把它的传播速率快这一特点体现出来，这将在以后的工作中日臻完善。