摘 要： 分析了CAN總線通信的性能和技術特點，介紹了CAN總線結構的模式及應用趨勢。針對采用單片機實現與CAN總線接口的問題，詳細探討了用STC15F2K60S2單片機結合總線控制器SIA1000和總線收發器PCA82C250芯片構成CAN總線接口電路的實現，并介紹了接口驅動軟件的編制流程。
關鍵詞： CAN總線; 控制器；收發器；單片機; 通信; 接口；
控制器局域網絡CAN(Controller Area Network)是由研發和生產汽車電子產品著稱的德國BOSCH公司開發的，并最終成為國際標準(ISO11898)，是國際上應用最廣泛的現場總線之一。在北美和西歐，CAN總線協議已經成為汽車計算機控制系統和嵌入式工業控制局域網的標準總線，并且擁有以CAN為底層協議專為大型貨車和重工機械車輛設計的J1939協議。近年來，由于該總線所具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到重視，被廣泛應用于汽車計算機控制系統和環境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業環境。
1 CAN總線通訊原理
CAN總線目前采用2.0規范。CAN 2.0規范分為CAN 2.0A與CAN 2.0B。CAN 2.0A 支持標準的11 位標識符，CAN 2.0B同時支持標準的11位標識符和擴展的29位標識符。
CAN總線的物理層包括物理層信號(PLS)、媒體訪問單元(PMA)和介質相關接口(MDI)3部分，主要完成電氣連接、驅動器/接收節點特性、位定時、同步、位編碼/解碼的描述。
在國際標準ISO11898中，對基于雙絞線的CAN系統建議了電氣連接。為了抑制信號在端點的反射，CAN總線要求在兩個端點上安裝兩個120 Ω的終端電阻。CAN總線的驅動可采用單線上拉、單線下拉和雙線驅動，如果所有節點的晶體管均處于關斷狀態，則CAN總線上呈現隱性狀態，如果CAN總線上至少有一個節點發送端的那對晶體管導通，產生的電流流過終端電阻，在CAN_H和CAN_L兩條線之間產生差分電壓，總線上就呈現出顯性狀態。CAN總線上的信號接收采用差分比較器，讀取差分電壓值。
理想發送節點在沒有重同步的情況下每秒發送的位數量定義為標稱位速率(Nominal Bit Rate)。標稱位時間(Nominal Bit Time)定義為標稱位速率的倒數，即標稱位時間 = 1/標稱位速率。位時間指的是CAN總線通信時1 bit數據持續的時間，CAN總線工作時標稱位速率是不變的，那么標稱位時間也保持不變，即要求每個位在總線上的時間要保持一致。CAN總線的標稱位時間可劃分為4個同步段(SYNC_SEG)、傳播段(PROP_SEG)、相位緩沖段1(PSEG1)和相位緩沖段2 (PSEG2)不重疊的時間段。
CAN總線標稱位時間中各個時間段都可以根據具體網絡情況而重新設置，均由CAN控制器的可編程位定時參數來實現。位時間內時間段的設定能實現CAN總線節點同步、網絡發送延遲補償和采樣點定位等功能。
CAN總線的同步使CAN總線系統的收發兩端在時間上保持步調一致。從位定時的同步方式考慮，CAN總線實質上屬于異步通信協議，每傳輸一幀，以幀起始位開始，而以幀結束及隨后的間歇場結束。這就要求收/發雙方從幀起始位開始必須保持幀內報文代碼中的每一位嚴格的同步。CAN 總線的位同步只有在節點檢測到“隱性位”到“顯性位”的跳變時才會產生，當跳變沿不位于位周期的同步段之內時將會產生相位誤差。該相位誤差就是跳變沿與同步段結束位置之間的距離。相位誤差源于節點的振蕩器漂移、網絡節點之間的傳播延遲以及噪聲干擾等。CAN 協議規定了硬同步和重同步兩種類型的同步。
硬同步只在總線空閑時通過一個從“隱性位”到“顯性位”的跳變（幀起始）來完成，此時不管有沒有相位誤差，所有節點的位時間重新開始。強迫引起硬同步的跳變沿位于重新開始的位時間的同步段（SYNC_SEG）之內。
重同步在報文的隨后位中，每當有從“隱性位”到“顯性位”的跳變，并且該跳變落在了同步段之外，就會引起一次重同步。重同步機制可以根據跳變沿加長或者縮短位時間以調整采樣點的位置，保證正確采樣。
2 CAN總線的接口
CAN總線的接口主要包括電源電路、復位電路、時鐘電路和STC15F2K60S2單片機與SJA1000接口電路、CAN總線收發器電路幾部分。
2.1 CAN總線控制器SJA1000
SJA1000是NXP公司研制的一款獨立CAN控制器，可以完成CAN總線標準中物理層和數據鏈路層的所有功能，在汽車制造和其他的工業領域得到了十分廣泛的應用。SJA1000有BasicCAN 模式和PeliCAN模式兩種不同的協議模式。BasicCAN模式是復位時默認模式，這種模式與早期產品PCA82C200兼容，只支持CAN 2.0A協議；PeliCAN模式是新增加的工作模式，支持CAN 2.0B協議的一些新特性。
SJA1000的內部功能結構如圖1所示，主要包括接口管理邏輯、發送緩沖器、接收緩沖器、驗收過濾器、位流處理器、位定時邏輯和錯誤管理邏輯等功能單元。
2.2 CAN總線收發器PCA82C250
PCA82C250是NXP公司針對汽車中的高速應用而生產的CAN總線收發器。CAN總線收發器是CAN控制器和物理總線的接口，用于對總線提供差動發送能力和對CAN控制器提供差動接收能力。PCA82C250是目前應用最廣泛的CAN總線收發器。設計CAN總線接口時，PCA82C250一般與CAN控制器（例如SJA1000）配合工作。
PCA82C250的內部功能結構如圖2所示，主要包括基準電壓、發送器、接收器、保護電路和工作模式控制電路等。
PCA82C250的工作模式：通過斜率電阻輸入引腳（RS）的3種不同接法，可以設置PCA82C250的工作模式，如表1所示。
⑴高速模式。在高速工作模式下，發送器輸出級晶體管將以盡可能快的速度打開和關閉，且不采用任何措施用于限制上升和下降的斜率。采用高速模式時，最好使用屏蔽電纜以避免射頻干擾問題。通過把斜率電阻輸入引腳（RS）接地選擇高速模式。
⑵斜率控制模式。對于較低速度或較短總線長度的應用場合，可使用非屏蔽雙絞線或平行線作為總線。此時，為降低射頻干擾，應對上升斜率和下降斜率進行控制。上升斜率和下降斜率可通過由斜率電阻輸入引腳(RS)接至地的連接電阻進行控制，斜率正比于斜率電阻輸入引腳(RS)的電流輸出。
⑶待機模式。通過斜率電阻輸入引腳(RS)接至高電平選擇低電流待機模式。在此模式下，發送器被關閉，而接收器轉至低電流。若在總線上檢測到顯性位，RXD將變為低電平。微控制器應將PCA82C250轉回至正常工作狀態，以對此信號作出響應。注意：由于處在待機模式下，接收器是慢速的，因此，第一個報文將被丟失。
2.3 STC15F2K60S2單片機
STC15F2K60S2單片機是STC公司生產的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8~12倍。內部集成高精度R/C時鐘，5 MHz~ 35 MHz范圍內可設置，可省掉外部電路的晶振和外部的復位電路，芯片內置2 KB容量的SRAM和60KB容量程序存儲器。工作電壓范圍為3.8 V~5.5 V，是寬電壓范圍。
2.4 STC15F2K60S2單片機與SJA1000接口電路
stc15f2k60s2單片機與SJA1000接口電路主要包括數據線、地址線和控制線的接線設計，如圖2-3所示。SJA1000的MODE接高電平選擇Intel接口模式。STC15F2K60S2單片機的P0口接SJA1000的數據/地址總線，8位數據線用于單片機與SJA1000之間的數據傳遞，低8位地址線用于SJA1000內部的CAN地址尋址。STC15F2K60S2單片機可采用線選法提供片選信號，即SJA1000的片選線接P2口任意一個口線（高8位地址線）。圖3中P2.7作為SJA1000的片選線，則片選地址為7F00H，片選地址和CAN地址相加得到SJA1000內部寄存器的地址。單片機和SJA1000的讀寫允許信號、地址鎖存信號控制線對應連接即可。
2.5 CAN總線收發器電路
CAN總線收發器電路是指SJA1000與PCA82C250之間的電路，主要包括串行通信線和模式選擇兩部分。串行通信線包括串行數據發送線和串行數據接收線，如不采用光電隔離則SJA1000與PCA82C250對應連接即可，如圖4所示。PCA82C250若需要使用待機模式時，RS引腳可以連接微控制器的I/O線P2.0；若不使用待機模式時，RS引腳可以經電阻接地（斜率控制模式）。
3 CAN總線接口軟件設計
CAN總線接口軟件設計主要分為初始化程序、發送子程序和接收子程序3部分。
3.1 SJA1000初始化程序
SJA1000要完成正常的CAN通信，需要進行必要的初始化參數設置。這些初始化參數包括驗收過濾器、總線定時寄存器、輸出驅動方式和中斷系統等。這些設置實際上是對SJA1000內部相關寄存器的寫操作。SJA1000初始化的程序流程如圖5所示。
3.2 發送子程序
發送子程序主要分為3個流程：⑴判斷SJA1000當前的狀態是否允許報文發送；⑵將要發送的數據按照CAN協議規定的幀格式組成數據幀，存入SJA1000的發送緩沖器；⑶寫發送命令。發送子程序流程如圖6所示。發送前，一般檢查3個狀態位：一是接收狀態，如果目前SJA1000正在接收報文，則不能發送，至少等本次接收完成后才能申請發送；二是檢查發送完成狀態，也即檢查 SJA1000是否正在發送報文。如果正在發送，要等本次發送完成，才能啟動新的發送任務；三是檢查發送緩沖器是否被鎖定，發送緩沖器處于不鎖定狀態，才能發送報文。
3.3 接收子程序
接收子程序的處理比發送子程序要復雜些。在接收子程序中，不僅要對接收數據作出處理，還要對各種錯誤、數據溢出等進行判斷和處理，由于篇幅限制，本文只討論對接收數據作出處理。接收子程序主要分為3個流程：⑴判斷SJA1000是否有報文可以接收；⑵讀取SJA1000的接收緩沖器中的報文；⑶寫釋放接收緩沖器命令。接收數據處理有：查詢接收方式和中斷接收方式兩種。圖7為查詢方式接收子程序流程圖。
本文介紹的采用STC15F2K60S2單片機結合SJA1000和PCA82C250芯片實現CAN總線的接口已經在某鋼管廠無損探傷設備上得到了實際應用，原系統采用的是RS-232串行總線的形式，不僅工程安裝復雜，成本高，而且數據傳輸速率低，實時更新慢，經常出現檢查跟蹤滯后的情況。采用CAN總線后，系統的抗干擾能力明顯提高，特別是對微弱信號的分辨，較以前的系統有很大的改善，漏檢率明顯下降，保證了產品的合格率。
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