基于CAN控制器的對等式單片機多機系統的通信

摘要：針對單片機多機系統主從式通信的缺點，提也了利用CAN控制器實現單片機多機系統對等式通信，并對其硬件組成原理、通信程序的設計做了詳細的分析。

關鍵詞：單片機多機系統 “對等式”通信 控制器局域網（CAN）

關于單片機的多機通信，許多文章及相關書籍都有介紹，但就其多機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功能的發揮及廣泛的應用。雖然文獻[1]利用巧秒的硬件手段實現了單片機多機之間的“對等式”通信，但其通信方式實質上仍是“主從式”。本文介紹了一種基于CAN控制器的單片機多機系統，從本質上實現了任意兩機之間直接相互通信，從而克服了“主從式”多機通信的缺點。

1 CAN技術簡介

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

（1） CAN可以多主方式工作，網絡上任意一個節點均可以在任意時刻主動地向網絡上的其他節發送信息，而不分主從，通信方式靈活；

（2） CAN可以點對點、點對多點（成組）及全局廣播方式傳送接收數據；

（3） CAN網絡上的節點信息可分成不同的優先級，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。當兩個節點是向網絡上發送數據時，優先級低的點主動停止數據發送，而優先級高的節點可不受影響地繼續傳輸數據，大大地節省了總線仲載沖突時間，在網絡負載很重的情況下也不會出現網絡癱瘓；

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

2 基于CAN控制器的對等式單片機系統軟硬件設計

2.1 系統硬件設計

2.1.1 系統組成原理及通信過程

所謂對等式通信，就是單片機多機系統中任一節均可主動地與其它節點直接交換數據，而無須經過第三方。從此角度出發，我們設計的基于CAN控制順的單片機多機系統組成如圖1所示。

系統中的每個節點由單片機、CAN控制器、CAN由發器組成。單片機主要用于系統的計算及信息處理等功能；CAN控制器主要用于系統的通信；CAN收發器主要用于增強系統的驅動能力。系統的發送過程是：單片機將外圍設備或其他節點傳送過來的信息處理后，按CAN規范規定的格式將其寫入CAN控制器的發關緩沖區，并啟動發送命令，把數據發送到CAN總線上；接收過程是：CAN控制器從CAN總線上自動接收數據，并經過濾后存入CAN接收緩沖區，且向單片機發出中斷請求，此時單片機可從CAN擋收緩沖區讀要接收的數據。

2.1.2 系統節點的硬件設計舉例

圖2是所研制的低成本農業溫度控制系統中與本文相關部分的硬件電路圖。

設計是應注意以下幾點：

（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重要的作用。否則，數據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與單片機之間時序的同步，一般采用CAN控制器給單片機提供時鐘信號，此時時鐘信號對CHMOS型單片機應接XTALI引腳，對HMOS型單片機接XTAL2引腳。

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

2.2 系統軟件設計

系統軟件設計的關鍵是通信程序的設計。通信軟件由三部分組成：初如化程序、發送程序、接收程序。由于系統中任意一節點在任意時刻均可主動與其它節點通信，所以，各世點的通信程序相同。

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。有三種方式進入初始化和諧：一是上電復位；二是硬件復位；三是軟件復位，即運行期間通過給CAN控制器發一個復位請求，置復位請求位為1。在復位期間，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，必須確保系統進入了復位狀態。初始化程序的流程圖如圖3所示。

2.2.2 發送程序

信息從CAN控制器發送到CAN總線是由CAN挖掘器自動完成的。發送程序只需把發送的信息幀送到CAN的發送緩沖區，且啟動發送命令即可。發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送程序的設計。對于中斷方式，發送程序分為兩部分：一是主程序；二是中斷服務程序。主程序主要用于控制信息發送及當發送緩沖區滿時，把發送的信息暫存到臨時存儲區；中斷發送程序負責把臨時存儲區的暫存信息發送出去。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接收緩沖區是由CAN控制器自動完成的。接收程序只需從接收緩沖區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，此處經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。在使用時應結合實際項目具體化，并且發送程序中可能會有應急處理，接收程序中會有數據過載情況。限于篇幅，此處不予以討論。

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