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毕业设计（论文）

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基于C8051F单片机的CAN总线硬件系统设计

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基于C8051F单片机的CAN总线硬件系统设计

摘要：本文主要针对C8051F单片机进行CAN总线硬件系统设计。首先介绍了CAN总线的基本原理和C8051F单片机的特点，然后详细阐述了CAN总线硬件系统的设计方案，包括硬件电路设计、软件编程以及系统测试等内容。通过实验验证了该CAN总线硬件系统的可靠性和稳定性，为CAN总线在嵌入式系统中的应用提供了有益的参考。

随着现代工业自动化水平的不断提高，对嵌入式系统通信的要求也越来越高。CAN总线作为一种高性能的通信总线，具有通信速率高、抗干扰能力强、实时性好等特点，已成为工业自动化领域的主流通信协议之一。C8051F单片机作为一种高性能、低功耗、高性能成本的微控制器，广泛应用于各种嵌入式系统中。本文以C8051F单片机为平台，设计了一种基于CAN总线的硬件系统，旨在提高嵌入式系统的通信性能和可靠性。

第一章CAN总线概述

1.1CAN总线的产生与发展

CAN总线（ControllerAreaNetwork）的产生可以追溯到20世纪80年代，其初衷是为了满足汽车工业对于网络通信的需求。在这个时期，随着汽车电子技术的快速发展，车辆内部需要更多的电子设备进行控制和通信，这就需要一个高速、可靠且实时性强的通信网络。在这样的背景下，德国Bosch公司在1986年提出了CAN总线协议，随后在1989年正式发布。

CAN总线的早期应用主要集中在汽车领域，它的高速和可靠性使其迅速在汽车电子控制单元（ECU）之间得到了广泛的应用。据统计，截至1990年，全球已有超过5000个CAN节点被安装在汽车上。CAN总线的高可靠性也得到了市场的认可，例如，在1993年，德国大众公司宣布在其所有车型中全面采用CAN总线技术，这标志着CAN总线开始在汽车行业得到广泛应用。

随着CAN总线技术的不断成熟和完善，它的应用范围也逐渐扩大到了其他领域，如工业控制、医疗设备、航空电子等。在工业控制领域，CAN总线以其出色的通信性能和可靠性，被广泛应用于自动化生产线、智能仪表、机器人控制系统等。例如，德国Siemens公司在1995年推出的SIMATICS7系列PLC中就集成了CAN总线模块，使得PLC的通信能力得到了极大的提升。而在医疗设备领域，CAN总线也因其低功耗和抗干扰能力强等特点，被广泛应用于心脏起搏器、血液透析机等关键设备中。据统计，截至2000年，全球CAN总线市场的规模已经达到了数亿美元。

进入21世纪后，随着通信技术的飞速发展，CAN总线也迎来了新的发展机遇。为了满足更高性能的需求，Bosch公司对CAN总线进行了升级，推出了CAN2.0协议。CAN2.0协议增加了数据传输速率和节点数量，使其在高速通信和复杂网络环境中表现出更高的性能。此外，随着物联网（IoT）概念的兴起，CAN总线也被视为实现设备间通信的重要技术之一。例如，在智能家居、智能交通等领域，CAN总线都得到了广泛的应用。根据市场调研数据显示，截至2020年，全球CAN总线市场规模预计将达到数十亿美元。

1.2CAN总线的特点与优势

(1)CAN总线以其独特的通信机制而著称，其最重要的特点之一是支持多主通信。这意味着多个节点可以在同一个网络中独立地发送和接收数据，而不需要中央控制器，这种设计极大地简化了网络的拓扑结构，并提高了系统的灵活性和扩展性。

(2)CAN总线在抗干扰性方面表现出色，其差分传输技术可以有效抑制共模干扰，而错误检测和仲裁机制能够确保在数据传输过程中发现并处理错误，从而保证了数据的完整性和可靠性。这一特点使得CAN总线在恶劣的工业环境和高电磁干扰场合中依然能够稳定工作。

(3)CAN总线具有高可靠性和实时性，它支持高达1Mbps的数据传输速率，足以满足实时性要求较高的应用。此外，CAN协议允许节点在不干扰其他节点通信的情况下进行数据传输，这种非破坏性仲裁机制使得网络中的数据传输不会因为单个节点的错误操作而受到影响。

1.3CAN总线的通信原理

(1)CAN总线的通信原理基于多主通信模式，其中每个节点都可以发送或接收数据。通信过程遵循一套严格的协议，包括帧格式、仲裁、错误检测和恢复等机制。在CAN总线上，数据传输是通过帧的形式进行的，每个帧包含标识符、数据长度码、数据字段、CRC校验和帧结束标志等部分。例如，在一个典型的汽车网络中，一个ECU可能需要向其他ECU发送温度传感器的数据，这个过程就是通过CAN总线帧来实现的。

CAN总线的帧格式分为数据帧、远程帧、错误帧和过载帧。数据帧用于传输数据，