汤杯收稿日期:2006-12-13
作者简介：曹少华(1982 )，男，安徽人，在读硕士研究生，主要研究方向为嵌入式系统与控制网络；张培仁(1944 )，男，教授，博士生导师，长期从事嵌入式系统、CAN /485等控制网络研究。 基于C8051F 单片机的CAN 总线硬件系统设计 曹少华，张培仁，王津津，李 勇，胡晓柘
(中国科学技术大学自动化系，安徽合肥 230027)
摘要：从分析C AN 总线控制系统的设计思路入手，着重讨论设计中的主要问题，采用RS -485/422辅助CAN 总线的混合总线结构，选用C8051F 系列单片机和U SB 转UART 桥接器CP2102作为控制核心，设计了一种多主、多功能的混合式总线监控系统。试验表明：该系统成功解决了数据传输瓶颈、数据冲突、同步等一系列问题，具有良好的实时性和稳定性，广泛适用于各类远程大型实时监控网络。 关键词:CAN;C8051F;U SB 接口；远程监控系统
中图分类号:TP336 文献标识码:A 文章编号:1000-8829(2007)11-0038-04
D esign of CAN H ardware system Based on C 8051F M CU
CAO Shao -hua ,Z HAGNG Pe-i ren ,WANG Jin -ji n ,L I Y ong ,HU X iao -zhe
(D epart m en t of Auto m ation ,Un i versity of Science and Technology of Ch i na ,H efei230027,C h i na)
Abstrac t :A ki nd o fm ult-i m aster and m ult-i functiona l surveillance syste m based on CAN i s desi gned .Fo llow i ng the discussion abou t
the m a i n issues of CAN syste m des i gn ,a m i xed bus a rchitecture ,CAN associated w it h RS -485/422,is i ntroduced .T he core desi gn i s C8051F SOC M CU s and CP2102,a new U SB to UART br i dg e .The result o f i m p l em entation shows tha t th i s syste m successf u lly so l ves the m a i n i ssues ,for exa m ple ,the bo ttleneck i n data trans m ission ,data co lli sion and synchroniza tion .The h i gh rea -l ti m e ab ility and stability m ake th i s desi gn su itab le for var i ous l ong -d istance rea -l ti m e surveillance ne t w orks .K ey word s :C AN;C8051F;U SB i nte rface ;re m ote s u rve ill ance syste m 控制器局域网(CAN,contro ll e r area ne t w ork)是Bosch 公司提出的一种串行数据通信协议，它的模型结构包括物理层、数据链路层和应用层，信号传输介质是双绞线，通信速率最高1M b /s(40m )，直接传输距离最远10k m (5kb /s)，每条总线可挂接设备多达110个，特别适用于
实时性要求很高的网络。由于通信速率高、开放性好、报文短，纠错能力和扩展能力强以及控制简单、应用成本低等优点,CAN 总线已被应用到众多的工业过程监控领域，是公认最有前途的现场总线之一[1]。
由于是多主控制,CAN 总线系统在设计过程中必然会存在竞争、同步等问题，同时对于任何一种CPU 而言，都需要将并行数据转换成CAN 总线串行数据格式，并附加相应的串行控制位。如何保证CAN 总线数据传送的一贯性和连续性，并很好地处理总线与CPU 竞争消息RAM，以及上位PC 机数据接口瓶颈和数据冲突等一系列问题，将是CAN 总线控制系统设计的重点。笔者根据这一思路，分析比较了大量的M CU 、C AN 控制器芯片和不同的总线结构，设计出基于C8051F 系列单片机的CAN 复杂总线控制系统，很好地解决了这些核心问题。本设计的硬件系统和基本的软件系统已经全部实现并得到了验证。
1 CAN 总线控制系统总体结构设计
一个优秀的分布式控制系统应该满足实时监控、智能扩展、
可远距离传输、可应对复杂网络、良好的稳定性和方便性、完善的上位机管理等要求。为此比较了现在控制领域中最常用的控制总线 CAN 和RS -485，并给出了完整的控制系统解决方案。
相对于R S -485/422只能采取主从式的多点通信,CAN 可以实现真正意义上的多主通信，并且竞争和同步基本上由协议内部解决，设计者只需在此基础上做出进一步设定。就节点数而言,RS -422支持10个,RS -485支持32个，而CAN 可支持110个之多，并且最大传输距离远大于RS -485/422的1219m 。同时CAN 总线有着更低的误码率(10-11数量级)，并且由硬件完成底层的逻辑功能，由协议完成大部分数据链路层功能，用户只需在应用层上设计。与RS -485/422相比,CAN 的同步位可以更好、更可靠地保证数据传送，同时它还采取了非破坏性仲裁技术，并能根据错误检测，在总线严重受干扰的情况下自行判断关闭总线，确保正常的数据传输。 然而由于每帧报文最大只能传送8B 数据,CAN 总线在大批量数据传输上速度大大下降，而R S -485/422却没有这种限制，因而更适用于数据量较大的场合；此外，目前绝大多数现场控制智能仪器都配有R S -485/422接口，也使得RS -485/422总线的应用更为方便。
基于以上分析，综合CAN 和RS -485/422总线的优势，设计了如图1所示的混合CAN 总线监控系统。它以CAN 总线为主，部分数据量较大或需要双通道数据通信节点间采用一个或多个R S -485/422总线，组建成辅助子网，作为CAN 总线的有力补充。
图1 CAN
总线控制系统总体结构
图2 CAN 通用节点电路结构
系统主要由上位PC 机、带有U SB 接口的主机C AN 节点、通用CAN 节点、CAN 网关节点、中继器节点，以及专用于高精度ADC 采样和精密控制的智能测控节点组成。网络采用总线式拓扑结构，工作在多主通信方式，可根据具体应用需求任意添加或删除节点。
2 M CU 选择与CAN 节点功能设计
选择合适的M CU 是CAN 总线控制系统设计成功的关键。它必须能适应各类复杂监控系统的要求，如实时性、低功耗、快速数据处理、集成数模外设功能、集成CAN 总线接口，还应该集成充足的F lash 或RAM 供程序、数据存储，以简化电路，提高系统的可靠性。此外，它还要具有低成本和恶劣环境下的适应性。在综合比较了当前业界流行的几款M CU，如DSP2000系列、ATM 89系列和C8051F 系列之后，最终选择了S ilicon L aborator i es 的C8051F 这一系列高性能8位单片机。
C8051F 系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片(SOC )，具有与M CS -51完全兼容的指令内核。由于采用了流水线处理技术，不再区分时钟周期和机器周期，大大提高了指令执行效率，使其处理速度不逊于许多16位单
片机(如DSP2407)。在低功耗的同时它还拥有着控制系统所需的丰富模拟、数字外设，大量的外设功能接口，通过交叉开关表分配到64个I/O 引脚，这一独创性设计使得芯片集成度大大增高。此外,C8051F 还采用了F l ash ROM 技术，集成了J TAG，实现了真正的在线编程和片上调试[2];
其中,C8051F 040内集成了完全支持CAN2.0A 和CAN 2.0B 的CAN 控制器，独立的消息RAM 可以处理32条消息对象，每个消息对象都可以进行发送和接收滤波，最高工作速率达到1M b /s ，能够完成CAN 总线协议数据链路层和应用层的所有功能[3]
；其中CAN 总线的竞争处理、CPU 接口、同步、数据的一贯性以及连续性保证，都是由硬件来解决,CP U 因此得以腾出大量的精力来处理其他的用户功能。以上这些特性，使得F040成为CAN 总线节点微控制器的良好选择。
在此分析基础上，分别设计了以下CAN 总线节点:
(1)通用CAN 节点。以实现CAN 通信功能为主要目的，同时将微控制器F040内集成的大量外设引出，供无限功能扩展，并可实现1~2条R S -485/422总线辅助主CAN 总线通信。(2)智能测控节点。采用集成了24位ADC 的高速M CU C8051F350和带SP I 接口的独立CAN 控制器M CP2515，通过CAN 总线将实时采集数据送至控制网络，根据接收的指令控制底层器件完成相应动作，实现智能测控。
(3)主机CAN 节点。实现CAN 总线与上位PC 机的通信接口，选用U SB 转UA RT 桥接芯片CP2102，完成主机节点与上位机的通信，实现即插即用、U SB2.0高速数据传输，无需额
外供电。
此外，为了满足远距离数据传输以及具有
继电器控制模块复杂结构的控制系统要求，如水利测控系统、大型过程控制系统，在主CAN 总线上又添加了网关节点和中继器节点，实现CAN 总线的子网扩展和远程传输中继。
压屏机
3 CAN 通用节点设计
3.1 通用节点与最小系统板设计
由于C8051F040的数字和模拟外设功能强大，大大减少了外围芯片，简化了硬件电路，使最小系统电路体积缩小；并且通过引出的微控制器引脚，可以方便地任意扩展节点功能。电路设计如图2所示。
鼻渊散采用T I 公司生产的3.3V 芯片SN65HVD230CAN 作为总线收发器，该收发器与PCA82C250引脚兼容，具有差分收发能力、高速率传输(1M b /s)、高抗电磁干扰、超小封装、低功耗性能，并有3种不同工作模式可供选用，与F040配合使用，可使外围电路更加简洁。
作为CAN 总线辅助的R S -485/R S -422总线接口电路，采用M ax i m 公司的低功耗、限摆率收发器MAX 489E ，通过F040的两个UART 和4个通用I/O 引脚来进行收发和控制，可以任意配置成4线或2线、R S -485或者R S -422总线。3.2 具体硬件电路
q1seC8051F040最小系统硬件电路如图3所示，限于篇幅省略了另外一个MAX 489E 外围电路。图中M AX 489E 的D I 、RO 、DE 、/RE 引脚分别连接F040的P 0.0,P0.1,P3.0,P3.1引脚，前
图3 C8051F040最小系统硬件电路图
两个引脚由交叉开关分配给UART 0，后两个普通I /O 分别作发送和接收使能信号。P0.1(RXD0)靠近F
040的引脚处加上一个10k 的上拉电阻R 8，用来保证RXD 输入端常态为高电平，准确检测低电平的出现。此外，在M AX 489E 的输入端口A 、B 间并联一对方向相反的二极管，保护器件不被过高的瞬态电压损坏，接着各自串联一个10k 电阻R 14、R 15限流，再通过一组上下拉电阻进行电阻匹配，有效抑制反射波干扰，保持总线处于高阻态时，接收端收到的始终是 1 电平。最后并联一个电阻R ，作为R S -485/422总线的终接电阻，其阻值等
于传输电缆的特性阻抗，一般取120
。在本节点作RS -485的终端节点，并且传输距离大于300m 时，闭合跳线片J P4，使终接电阻工作。
CAN 收发器SN 65HVD230的D 、R 引脚分别连接F040的CANTX 和CANRX ，并在靠近C ANRX 处加一个10k 的上拉电阻R 10用于保证接收端常态为高电平，准确检测起始位低电平。在CANH 和CANL 输出引脚间并联一个电阻，作为CAN 总线的终接电阻，在本节点作C AN 总线终端节点时，闭合跳线片J P3，使终接电阻工作。终接电阻值R 等于传输电缆的特性阻抗，一般取值120 。S N 65HV D230的R s 引脚为斜率电阻输入引脚，通过F3.6引脚和跳线片J P2改变加在该引脚上的电压，可以改变收发器工作的方式。
3.3 CAN 通信软件
CAN 通信软件设计通过K e il C51实现，采用模块化设计方法，分别完成F 040交叉开关配置与端口初始化、外部振荡器初始化、CAN 定时寄存器初始化、消息对象初始化、CAN 数据发送和接收、消息响应、错误处理、系统广播等，对于不同的系统功能和应用环境，可方便地进行编程重组。
3.4 CAN 网关、中继器设计简述
在上述基于C8051F040的C AN 节点最小系统基础上，采用M icro ch i p 公司研制的带SP I 接口独立CAN 控制器M CP2515，使微控制器通过SPI 总线连接M CP2515，再通过收发器SN65HVD230连接CAN 总线。加上原有的CAN 总线控制器，即可实现双CAN 总线接口。若将此节点CAN 通信软件设置为接收数据全部实时转发，则可实现CAN 中继器；若设为接收数据按地址部分转发，则可方便地实现CAN 网关功能。
4 带U SB2.0接口的CAN 主机节点设计
4.1 主机节点设计需要解决的问题
主机CAN 节点是C AN 总线与上位PC 机的通信接口。由于大量的总线数据需要从各个节点通过主机节点传送至上位机，又有众多的指令需要通过主机节点向下转发或进行大范围广播,CAN 总线与PC 机在接口处的数据瓶颈和数据冲突问题由此而生。
首先，主机节点需要实现与PC 机的高速通信，这样才能保证监控系统的实时性和数据的完整性，否则，大量待转发的数据
和指令将在主机节点堆积，直至内存满而直接丢弃。通用串行总线U SB 因具有连接简单方便、快速灵活、高速、可靠和总线供电等优良性能，已经逐渐替代了普通的串口通信(最大传输速率限制20kb /s)，成为主机节点与上位机通信的首选。
其次，主机节点需要解决两次握手，即PC 机与主机节点的握手通信，主机节点与CAN 总线的握手通信。
此外，主机节点还需要配有充足的内存，用来缓存大量的上传数据和下传指令，解决数据的冲突问题。
由于C8051F040不仅有CAN 控制器，还有大量的存储空间 64KB 的片内F lash 和4K B+256B 的内部RAM，以及外部64KB 数据存储器接口，完全符合CAN 通信和缓存数据空间的要求。而S ili con L aborator i es 公司的U SB 转UART 桥接芯片CP2102，内部自带512B 接收缓冲器和512B 发送缓冲器，更进一步从硬件上解决了数据冲突的问题。它还有300b /s~921.6kb /s 的波特率变化范围，满足高速通信要求；并且集成片内相应的上拉电阻，把全部功能集中在5mm 5mm M LP 封装中，外围电路十分简单；另外,CP2102还集成了5V 转3V 电压调节器，可以由U SB 总线来对整个主机节点供电[3]
，这样整个电路就只需一根U SB 连线即可实现与PC 机通信，无需额外电源，即插即用，十分方便。
因此，选用了C8051F040和CP2102来设计U SB 接口的主机C AN 节点。4.2 硬件电路设计
基于C8051F 040和CP2102芯片设计的主机CAN 节点电路，如图4所示。由于只需要用到C AN 控制器和两个UART，其他外设接口无需引出，使得C8051F040的外围电路更加简洁。本节点采用S i pex 公司的3.3V 低功耗RS -485收发器SP3485来连接两线制R S -485总线。
为了方便，只用简单的UART 连线，即F040的P1.0(RXD 1)、P1.1(TXD1)引脚分别与CP2102的TXD 、RXD 相连。此外,CP2102具有U SB 挂起和恢复信号支持功能，将它的SU S -END 与/SU SPEND 引脚连接到F 040的P1.3、P1.2，并在交叉开关里将后者设为外部中断/I NT 0。这样，当在总线上检测到挂起信号时,CP 2102将进入挂起模式，发出S U SPEND 和/S U SPEND 信号，外部中断0触发F040里的中断处理程序，告知F 040停止
图4 带USB 接口的CAN 主机节点电路
向上位机转发数据，并做出缓存数据以及其他一系列响应动作。本设计中,CP2102可由两种方式复位，一种是F040输出一个复位信号给CP2102的/R S T 引脚，进行软件复位；另一种方式是在程序无法检测到芯片时进行硬件复位。本设计中，针对C8051F040和CP2102分别设计了硬件复位电路。
值得注意的是,/S U SPEND 在CP 2102复位期间会暂时处于高电平，为确保/I NT 0的状态，特在/S U SPEND 引脚加上一个10k 的下拉电阻，以避免这种情况。
整个主机CAN 节点的电路实现仅为5c m 6cm ，只有普通鼠标大小的一半；并且只需一根U SB 线与上位机相连，一条线与CAN 总线相连，即可实现对整个控制系统的监控。如果使用便携式计算机，还能随时随地跟踪总线状态。
4.3 U SB 通信软件设计
作为上位机的基本通信软件，不仅应该提供U SB 与PC 机操作系统的软件接口，还要能够实现两次握手，能够灵活设置两种通信的波特率，并实现收发数据和UART 状态显示这一系列主要功能。拉紧带
由于CP2102内置有与计算机通信的U SB 协议，上位机在安装S i Labs 免费提供的CP2102驱动程序后，主机CAN 节点就会在计算机上产生一个增加的虚拟COM 口，用户可以按照通用串行口的控制方
式使用这个COM 口控制CP 2102，从而实现与F040的通信，再由F040最终到达C AN 总线。
用V B 设计出的主机CAN 节点-上位PC 机基本通信软件如图5
所示。
图5 主机CAN 节点-上位机通信软件界面该通信软件分别实现了串口选择、波特率设定、串口开关控
制、接收显示及保存数据、通信状态监控、数据与命令字的发送。主机CAN 节点可以根据规定好的命令字来调整UART 通信波特率、设定CAN 总线波特率、发送控制命令以及收发各种数据等。
5 结束语
基于C8051F040、F350单片机以及U SB 转UART 桥接芯片CP2102的CAN 总线控制系统设计方案，在硬件和软件上都得到了检验。它是一个功能强大、
多主的混合总线监控网络，成功地解决
了监控系统中数据传输瓶颈和数据冲突、数据同步等一系列问题，具有良好的实时性和稳定性，结构简单，集成度高，易扩展，易操作。其中通用节点的设计使具体应用更方便、更灵活；中继器和C AN 网关节点的设计可实现超远距离大型监控网络；带U SB 接口的主机CAN 节点即插即用，无需额外供电，使用便携式计算机作上位机与之相连，便可随时随地管理跟踪整个系统状态。该控制系统能够方便实现各类工业过程、传感器网络、水利工程等领域的分布式实时监控，有着广阔的应用前景。参考文献:
[1] 史久根，张培仁，陈真勇.CAN 现场总线系统设技术[M ].北京：国
防工业出版社,2004.
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