基于单片机的CAN总线数据采集设计与实现
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摘要：为了提高工业控制中信息传输的稳定性，增强可靠性。提出了基于单片机的CAN总线数据采集节点的设计。CAN总线在工业中有着广泛的应用，性能良好，结构简单。每个通信节点都使用STC89C51单片机作为微控制器，SJA1000作为独立CAN控制器，PCA82C250作为CAN驱动器。从硬件设计和软件设计两方面进行了分析。硬件上三个节点设计，其中两个分别采集温度和红外遥控信号，一个作为上位机节点，来显示上几个节点发来的数据，软件上编写逻辑程序。结果表明，几个节点之间具有通信可靠，抗干扰强的特点。采用基于单片机的CAN总线通信的在工业控制中通信稳定，可靠性高。
关键词：数据采集;CAN总线;单片机;节点设计
0引言
随着工业制造技术的发展。人们在工业控制上对通信的要求越来越高。CAN总线作为一种新兴的串行总线技术，以其独有的特点在汽车工业、自动控制、医学设备和楼宇自动化等诸多领域都有很多的应用。计算机行业的蓬勃发展给工业带来了旺盛的生命力，现场总线技术以其通信速度快、抗干扰性强、稳定性高在工业控制中有着广泛的应用前景。
现场总线技术采用分布式管理，对各个控制器之间实现点对点通信，在通信网络中处于物理层网络，将需要通信间的设备智能连接起来。主要特点是各设备之间距离较远，危险的扩散可能性降低，有中央控制器集中管理，增强了管理能力，提高了可靠性、稳定性和安全性。CAN总线通信网络主要由智能节点、双绞线、上位机组成。本文基于此原理设计了基于单片机的CAN总线数据采集节点设计，通过温度采集节点采集温度值，红外线节点采集红外遥控信号，通过CAN总线技术传输给上位机。
1 CAN总线数据采集硬件设计
1.1 系统设计总体结构
CAN总线数据多个采集节点主要由CAN智能节点、CAN总线与上位机组成。本文的上位机用单片机主节点来模拟，完成上位机功能，替代传统的电脑显示，方便现场工程控制。温读采集节点与红外采集节点作为从节点，完成数据采集的功能。拓扑结构如图1所示。
1.2 系统采集节点硬件设计
现场总线在具有复杂环境的工业控制中运行。因此节点的设计必须具有抗干扰性。为了使控制节点在工控中保证CAN总线具有良好的通信性能，节点设计是本文中的设计重点。本文通过STC89C52作为控制核心。采用SJA1000作为CAN控制器。为了验证设计能有效地进行数据传输，设计了三个节点，都是通过CAN总线进行数据传输，其中一个作为主节点，协调两个数据采集节点成为上位机，其它两个作为数据采集节点。节点设计如图2所示。组成结构包括单片机作为微处理器、CAN控制器、光电隔离电路、电源电路和CAN总线驱动电路。在整个控制系统中，单片机是整个控制器的中枢，用来处理数据，CAN控制器选择传统的SJA1000芯片。为了提高系统在实际应用中的稳定性。选择抗干扰的82C50，并且能驱动110个CAN节点。SJA1000是CAN驱动的控制芯片，82C250与SJA1000通过一个光电隔离器相连。光电隔离器选择高速光耦芯片，能起到隔离作用，并具有抗干扰作用。
1.3 CAN总线通信节点电路
CAN总线的通信节点电路的核心部分是SJA1000与单片机相连，如图3所示。本设计中，为了使SJA1000能在IN7EL工作模式下，SJA1000的MODE引脚通过单片机设置为高电平。将STC89C52控制芯片的数据/地址复用成I/O口八个引脚P0连接到SJA1000的ADO-AD7.单片机从八个引脚访问SJA1000的数据与地址。SJA1000相当于外部存储器。单片机访问外部设备需要访问存储器的地址与数据，才能工作，为了节约I/O口需要数据线与地址共用，这时将STC89C52单片机的地址锁存引脚与CAN控制器SJA1000的RD、WR与ALE信号分别相连。为了更好地控制STC89C52的外部地址，将P2.0口与P2.1口分别连接到SJA1000的CS引脚和复位引脚。
1.4 CAN总线抗干扰电路
CAN控制选择在汽车应用中较多的82C250，其通信速度快，能达到1Mbps，可以实现总线的接收与发送功能。82C250的内部控制器采用斜率控制的方式，有效地降低了外部环境无线信号的干扰，82C50的RS引脚接一个电阻，CAN驱动器工作在斜率控制模式下。在高温条件下，具有过热保护。CAN总线控制芯片与82C250通过一个5Ω相连，能起到过流保护。CAN总线会受到高频信号的干扰，如图4所示。82C250的两个引脚CANH和CANL与地之间并联一个电容与反向瞬态二极管，电容起到高频信号滤波作用，过滤高频信号，只低频信号通过：反向二极管能抑制饱和作用，通过设计干扰电路，考虑各个影响因素，加强了设计在实际系统中的使用。为了更好地抑制干扰。在82C250与SJA1000间通过隔离芯片6N137相连，实现电气隔离。系统对6N137的输入与输出接口的电源电路实现隔离。提高了节点的稳定性，对CAN控制器起到保护作用。
1.5传感器电路
如圖5所示，通过传感器感受采集数据。温度传感器采用DS18820，具有编程简洁、高效、数据传输快等特点，单片机仅用一个接口可读取传感器里的数据，既降低了硬件的成本，又提高了控制系统的可靠性。传感器是感知外部数据的组成部分，本文设计了两个传感器采集数据，通过单片机控制芯片控制DS18820与红外传感器采集数据，采集到的数据保存在单片机中，单片机控制CAN总线传输给上位机显示节点。DS18820的设计电路如图5所示。1838B是一种红外接收装置的传感器，当红外按键工作的条件下，传感器采集到的按键值作为传输数据。红外传感器与遥控器之间的电平是相反的，单片机通过电平不同设置为中断条件下，电平变化时控制器进人中断采集红外按键数据。红外数据的远程采集对系统有着重要影响，通过CAN总线传输红外数据具有一定创新。 一般的红外发送采用NEC协议，单片机控制红外工作流程为：先发送9ms的高电平信号和4.5ms的低电平信号，这段时间没有数据。发送引脚不同时间的高低电平之后，开始发送4字节的数据，分别是地址码、地址反码、命令码、命令反码和1位停止位。
1.6 电源电路
电源电路设计的是整个控制系统中重要的部分。提高电源电路的有效性能，能减少对系统的干扰，提高稳定性，减少系统的调试时间。本文设计的电源电路如图6所示，给系统提供稳定的5V电压。电源设计应用隔离技术，两个隔离芯片前后的5V电源。
2CAN总线软件设计
2.1 软件设计总体结构
总体结构如图7所示。采用模块化设计三个节点。从下往上的拓扑结构，其中两个节点采集数据，一个节点成为上位机，显示传输来的数据，通信传输使用CAN总线，通过SJA1000负责传输采集到的数据。每个模块采用结构化编程，在KILL5上编写库函数，减少程序间的反复编写，通过模块化调用，程序运行兼容性更好。
2.2 CAN总线SJA1000初始化
在程序运行开始，需要对SJA1000进行初始化，如图8所示。进行初始化之前，先檢查SJA1000与单片机的电气连接是否接通，连接没有错误时，SJA1000工作在复位模式，之后单片机控制SJA1000里的寄存器进行初始化，设置SJA1000的其它工作模式。SJA1000的RS脚设置为低电平CAN总线芯片就处于复位模式，通过将SJA1000的CR寄存器或者MODR寄存器的最低位置1也能使SJA1000工作在复位模式下。SJA1000初始化里设置SJA1000的工作方式，包括错误事件、开中断、波特率设置。
2.3 系统调试与仿真
将硬件设计好之后，画好电路原理图。模块化地编写程序，进行软件与硬件的调式，在硬件的基础上实现了CAN总线节点数据的采集和显示。一天内12h采集到的温度值及红外码键值如图9所示，可以看出温度符合实际温度，红外码也能稳定采集，说明系统稳定。图10为基于单片机CAN总线采集的显示结果。
3 结束语
CAN总线技术具有通信可靠和高效的特点，在工业控制领域有广泛的应用。本文设计三个节点，分别是温度采集节点、红外遥控信号节点与上位机显示节点，设计出能将采集的数据经CAN总线发送给另一个CAN总线节点进行表达的功能。
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