嵌入式can智能節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)

can總線是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，其通信接口中集成了can協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對(duì)數(shù)據(jù)的成幀處理。can協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊編碼，采用這種方法可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，還可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)收到相同的數(shù)據(jù)。

本文介紹了嵌入式can智能節(jié)點(diǎn)，并且應(yīng)用PC和嵌入式can智能節(jié)點(diǎn)組成了can通信系統(tǒng)，完成了電壓、電流、溫度等信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、可靠傳輸和實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)了PC端對(duì)嵌入式can智能節(jié)點(diǎn)PWM波輸出的脈沖寬度的控制。

基于PIC單片機(jī)的嵌入式can智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

嵌入式can智能節(jié)點(diǎn)以pic16f874單片機(jī)作為嵌入式微控制器，以MCP2510作為 can控制器，以PCA82C250作為can收發(fā)器，具有現(xiàn)場/遠(yuǎn)程控制功能。根據(jù)用戶的需求，嵌入式can智能節(jié)點(diǎn)通過連接相應(yīng)的傳感器可以完成多種信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、可靠傳輸和實(shí)時(shí)顯示，PWM波輸出可以用于控制相應(yīng)的負(fù)載。嵌入式can智能節(jié)點(diǎn)通過外接電路可以實(shí)現(xiàn)電路保護(hù)、現(xiàn)場組態(tài)、自動(dòng)調(diào)節(jié)、故障診斷報(bào)警、狀態(tài)檢測等功能，完成對(duì)電機(jī)、閥門、泵等電器的驅(qū)動(dòng)和智能控制。

硬件設(shè)計(jì)

Microchip公司的單片機(jī)pic16f874 采用RISC指令系統(tǒng)，哈佛總線結(jié)構(gòu)，低功耗，高速度。內(nèi)部集成了ADC、串行外圍接口(SPI)和Flash程序存儲(chǔ)器等，具有PWM輸出、LCD驅(qū)動(dòng)等功能。pic16f874通過SPI接口可以實(shí)現(xiàn)與can控制器MCP2510的無縫連接。pic16f874的I/O資源豐富，共有A、B、C、D、 E五個(gè)I/O口，每個(gè)I/O口除了基本用途外還有一些特殊功能。

基于pic16f874的嵌入式can智能節(jié)點(diǎn)的硬件原理圖如圖1所示，主要包括以下四個(gè)模塊：

can通信模塊

嵌入式can智能節(jié)點(diǎn)的can通信模塊由can控制器MCP2510和can收發(fā)器PCA82C250組成。MCP2510可以完成can總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能，支持高速SPI接口(最高數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到5Mb/s)，支持can2.0A/can2.0B協(xié)議。can收發(fā)器 PCA82C250是can控制器與物理總線之間的接口，對(duì)物理總線提供差動(dòng)發(fā)送能力，對(duì)can控制器提供差動(dòng)接收能力，同時(shí)它可以增大通信距離，提高嵌入式can智能節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力。

pic16f874通過SPI與can控制器MCP2510連接，其串行數(shù)據(jù)輸入(SDI)腳與MCP2510 的SO腳相連，其串行數(shù)據(jù)輸出(SDO)腳與MCP2510的SI腳相連，其串行時(shí)鐘(SCK)腳與MCP2510的SCK腳相連。MCP2510的復(fù)位信號(hào)、片選信號(hào)由單片機(jī)A口的RA5、RA2提供，MCP2510的中斷信號(hào)、接收緩沖區(qū)滿中斷信號(hào)輸出到單片機(jī)B口的RB0、RB5。

通過設(shè)置 pic16f874的SPI接口狀態(tài)寄存器和控制寄存器使SPI接口工作于主動(dòng)方式。pic16f874與MCP2510進(jìn)行通信時(shí)的時(shí)序是非常重要的。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先發(fā)送寫指令，再發(fā)送寄存器地址，最后發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)MCP2510接收到由總線傳來的數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生中斷，單片機(jī)響應(yīng)中斷，讀取數(shù)據(jù)時(shí)先發(fā)送讀指令，再發(fā)送寄存器地址，數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)寫入單片機(jī)SPI接口的緩沖器中。

顯示模塊

嵌入式can智能節(jié)點(diǎn)采用OCMJ4Χ8顯示模塊，該顯示模塊可以顯示漢字、ASCII碼等，其所有的設(shè)置初始化工作都可以在上電時(shí)自動(dòng)完成。

OCMJ4Χ8顯示模塊的數(shù)據(jù)線DB0~DB7與單片機(jī)的D口相連，請(qǐng)求(REQ)腳、應(yīng)答(BUSY)腳分別與單片機(jī)B口的RB4、E口的RE2相連。顯示模塊的RT1、RT2引腳外接可調(diào)電阻用于調(diào)節(jié)LCD的亮度。

顯示模塊接口協(xié)議為請(qǐng)求/應(yīng)答(REQ/BUSY)握手方式。BUSY為高電平表示顯示模塊忙;當(dāng)BUSY為低電平時(shí)表示顯示模塊空閑，等待接收命令。單片機(jī)先向顯示模塊發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，然后發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)，請(qǐng)求顯示模塊進(jìn)行處理，顯示模塊置BUSY為高電平，對(duì)命令或數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理結(jié)束后置BUSY為低電平。

模擬量獲取模塊

pic16f874單片機(jī)A口的RA0、RA1、RA3用于模擬量輸入。嵌入式can智能節(jié)點(diǎn)的模擬量獲取模塊的主要功能是將需要采集的電流信號(hào)通過電流互感器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，將需要采集的溫度信號(hào)通過溫度傳感器AD590轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。

開關(guān)量輸入/輸出模塊

嵌入式can智能節(jié)點(diǎn)通過I/O擴(kuò)展提供了4路開關(guān)量輸入和7路開關(guān)量輸出。開關(guān)量輸入用于電路的保護(hù)、故障報(bào)警、狀態(tài)檢測等，只要被控制對(duì)象擁有相應(yīng)的檢測元件，接入相應(yīng)的接口即可。開關(guān)量輸出用于驅(qū)動(dòng)繼電器，可以根據(jù)負(fù)載的大小確定是否需要連接接觸器控制電機(jī)、閥門、泵等電器執(zhí)行元件。根據(jù)用戶的需求，此部分電路可以做相應(yīng)的變化。

軟件設(shè)計(jì)

嵌入式can智能節(jié)點(diǎn)的軟件采用匯編語言編寫，主要完成對(duì)pic16f874(I/O口、定時(shí)器等)、SPI接口(串行口狀態(tài)寄存器SSPSTAT、串行口控制寄存器SSPCON等)、顯示模塊、I/O擴(kuò)展芯片8255和can控制器MCP2510 (位定時(shí)配置寄存器、can信息接收過濾和屏蔽控制寄存器、接收發(fā)送緩沖區(qū)控制寄存器等)的初始化，設(shè)定發(fā)送、接收標(biāo)識(shí)碼(ID)，讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)值，設(shè)置嵌入式can智能節(jié)點(diǎn)PWM波輸出的脈沖寬度，處理、顯示并發(fā)送采集的數(shù)據(jù)，接收、處理并顯示由總線傳來的數(shù)據(jù)等工作。

初始化系統(tǒng)

程序需要對(duì)pic16f874單片機(jī)、顯示模塊、I/O擴(kuò)展芯片8255和can控制器MCP2510進(jìn)行初始化。其中對(duì)MCP2510初始化是非常重要的，主要包括設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈剩瑢?biāo)識(shí)碼和屏蔽字寫入can信息接收過濾和屏蔽控制寄存器。對(duì)pic16f874進(jìn)行初始化時(shí)，要特別注意定時(shí)器 TMR2的初始化。

設(shè)定發(fā)送、接收標(biāo)識(shí)碼

pic16f874單片機(jī)C口的RC0、RC1、RC6、RC7引腳連接了一個(gè)撥碼開關(guān)。程序通過讀取這四個(gè)引腳的狀態(tài)為每個(gè)嵌入式can智能節(jié)點(diǎn)分配了發(fā)送、接收標(biāo)識(shí)碼的初始值。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中智能節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多時(shí)，這種方法可以方便程序的編寫。

讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)值

pic16f874 的A口和E口可以作為模擬量輸入口，共有8個(gè)輸入通道。A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果存儲(chǔ)于單片機(jī)的ADRES寄存器。程序首先設(shè)置單片機(jī)的A/D控制寄存器 ADCON1的bit3~bit0，選擇每個(gè)通道的輸入/輸出類型并設(shè)置參考電壓為5V，然后設(shè)置單片機(jī)的 A/D控制寄存器ADCON0的bit5~bit3選擇通道，設(shè)置bit0打開ADC，設(shè)置bit2啟動(dòng)ADC，最后從單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器 ADRES中讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)值。

設(shè)置PWM波輸出的脈沖寬度

pic16f874的CCP1引腳用于PWM波輸出。程序首先設(shè)置單片機(jī)的CCP1模塊控制寄存器CCP1CON的bit3~bit0，定義工作方式為PWM，然后用從PC端接收到的用于設(shè)置嵌入式can智能節(jié)點(diǎn)PWM波輸出的脈沖寬度的數(shù)據(jù)設(shè)置單片機(jī)的CCP1控制寄存器CCP1CON的bit5~bit4和CCPR1L寄存器，即實(shí)現(xiàn)了PC端對(duì)嵌入式can智能節(jié)點(diǎn)PWM 波輸出的脈沖寬度的控制。