SJA1000型CAN控制器在深海測控中的應(yīng)用

1 引言

為了開發(fā)海洋資源，人類必須首先了解海底環(huán)境。然而，海底環(huán)境十分復(fù)雜，對海底探測的要求很高，深海環(huán)境下需要采集的參數(shù)比較多，包括深度、溫度、鹽度、ph值、溶解氧及各種化學(xué)元素等。

深海測控系統(tǒng)工作時需要接收來自甲板控制中心的命令，同時要將采集到的數(shù)據(jù)反送到甲板控制中心，二者之間的最大通信距離大于5km，因此，它們之間的通信要求很高。can總線與一般的通信總線相比，它的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。can的直接通信距離最遠可達10km（速率在5kb/s以下），報文采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，受干擾概率低，保證了數(shù)據(jù)出錯率極低。為此，筆者采用can總線作為通信方式。

2 深海測控系統(tǒng)的基本組成

深海測控模塊由二大部分組成：測控子模塊和通信子模塊。測控子模塊的主要功能是根據(jù)甲板控制中心的命令啟動系統(tǒng)并完成參數(shù)提取、轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、存儲及發(fā)送等操作。通信子模塊的功能是完成甲板與水下測控系統(tǒng)的通信。
測控子模塊以cygnal公司的c8051f020型單片機為核心，擴展信號調(diào)理電路及與can總線的接口。通信子模塊是philips公司的sja1000型can控制器。

2.1 測控子模塊

深海測控子模塊由微控制器系統(tǒng)和i/o系統(tǒng)組成。

微控制器是cygnal公司的c8051f020型單片機。c8051f020采用cip－51型微控制器內(nèi)核及流水線指令結(jié)構(gòu)，70％的指令執(zhí)行時間為1個或2個系統(tǒng)時鐘周期，峰值速度達到25mi/s，能滿足深海環(huán)境下多路數(shù)據(jù)的快速采集與分析。
c8051f020型單片機內(nèi)部集成1個12位8通道帶可編程增益放大器的a/d轉(zhuǎn)換器和1個8位8通道a/d轉(zhuǎn)換器，能滿足深海多路環(huán)境參數(shù)采集；2路12位電壓輸出d/a轉(zhuǎn)換器；16位可編程定時/計數(shù)器陣列pca可用于輸出pwm以控制步進電機的運轉(zhuǎn)；64個耐5v電壓的通用i/o口可控制開關(guān)器件的啟動和停止。

微控制器系統(tǒng)還包括了單片機的一些基本外圍電路。系統(tǒng)還開展了1片容量達64mbyte的串行flash存儲器，用以保存采集到的數(shù)據(jù)，以避免can通信不暢時造成數(shù)據(jù)丟失。使用時只要微控制器外接相應(yīng)的傳感器、繼電器、電機等就可以完成各種環(huán)境下參數(shù)的采集及相應(yīng)的控制

2.2 通信子模塊

sja1000是philips公司推出的一款獨立的can控制器，主要用于移動目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制。它是pca82c200型can控制器（basiccan）的替代產(chǎn)品，而且增加了一種新的操作模式--pelican，這種模式支持具有很多新特征的can2.0b協(xié)議。

sja1000的基本特征如下：

引腳與pca2c200型can控制器兼容。
有擴展的接收緩沖器（64字節(jié)，先進先出fifo）。
支持can2.0a和can2.0b協(xié)議。
支持11位和29位標(biāo)識碼。
通信位速率可達1mb/s。
可與不同的微處理器接口。
可編程的can輸出驅(qū)動器配置。
sja1000的引腳排列如圖1所示，主要引腳的功能如下所述。

ad7－ad0：地址數(shù)據(jù)復(fù)用線。
ale/as：ale輸入信號（intel模式）或as輸入信號（motorola模式）。
cs：片選信號，低電平允許訪問sja1000。
rd/e：來自微控制器的rd信號（intel模式）或e使能信號（motorola模式）。
wr：來自微控制器的wr信號（intel模式）或rd/wr使能信號（motorola模式）。
clkout：sja1000產(chǎn)生用于微控制器的時鐘輸出信號；時鐘信號由內(nèi)置晶體振蕩器通過可編程除法器產(chǎn)生；時鐘除法寄存器中的時鐘停止位能使該引腳無效。
vdd1和vss1：邏輯電路5v電源和邏輯電路地。
xtal：晶體振蕩器放大器輸入，外部晶體振蕩器信號由該腳輸入。
xtal2：晶體振蕩器放大器輸出，當(dāng)使用外部晶體振蕩器信號時，該輸出引腳必須開路。
vdd3和vss3：輸出驅(qū)動5v電源和輸出驅(qū)動地。
tx0和tx1：can輸出驅(qū)動器0和1輸出到物理總線。
int：中斷輸出，用于觸發(fā)微控制器中斷；內(nèi)部中斷寄存器的任何位置位，int將低電平輸出；int為開環(huán)輸出；該引腳為低電平將電路從睡眠狀態(tài)激活。
rst：復(fù)位輸入，用于復(fù)位can接口（低電平有效）。
vdd2和vss2：輸入比較器5v電源和輸入比較器地。

rx0和rx1：從物理can總線輸入到sja1000的輸入比較器。
sja1000與微處理器的接口非常簡單，微處理器以訪問外部存儲器的方式來訪問sja1000。由于sja1000的內(nèi)部寄存器分布在連續(xù)的地址內(nèi)，所以完全可以把sja1000當(dāng)作外部ram。在設(shè)計接口電路時，sja1000的片選地址應(yīng)與其他外部存儲器的片選在邏輯上無沖突。

3 系統(tǒng)設(shè)計

sja1000型can控制器兼容can2.0a和can2.0b二種規(guī)范。can2.0b具有二種不同的幀格式：標(biāo)準(zhǔn)幀和擴展幀，前者為11位標(biāo)識符，后者為29位標(biāo)識符。前者的標(biāo)識符比后者的標(biāo)識符少2個字節(jié)。深海測控系統(tǒng)的can節(jié)點數(shù)量少，只有上位機節(jié)點和水下測控中心節(jié)點，所以即使距離比較遠，對傳輸數(shù)據(jù)速度和可靠性的影響也不是很大。

3.1 單片機與can控制器的硬件設(shè)計

圖2為c8051f020型單片機與sja1000型控制器的硬件連接電路原理。sja1000占用了0x8000－0x80ff的外部ram空間。當(dāng)單片機訪問以上空間時片選信號會選中sja1000。

c8051f020有高低2個外部存儲器接口。因此，sja1000的ad0－ad7連接到c8051f020的高端口p7口，cs連接到基址為0x8000的外部存儲器片選信號。當(dāng)c8051f020訪問地址0x8000－0x80ff時，cpu可對sja1000執(zhí)行相應(yīng)的讀/寫操作。sja1000的rd、wr和ale分別與c8051f020的對應(yīng)引腳相連，int接c8051f020的int0引腳，于是c8051f020可通過中斷方式訪問sja1000。sja1000的復(fù)位信號rst為低電平有效。c8051f020的ad0－ad7口用于地址/數(shù)據(jù)的輸入/輸出，將其配置為漏極開路方式，利用4.7kω上拉電阻器拉至5v。通過設(shè)置數(shù)字交叉開關(guān)，將c8051f020的外部中斷引腳配置到p2.7口。
can能夠使用多種物理介質(zhì)，例如雙絞線和光纖等。該設(shè)計方案采用雙絞線。信號以差分電壓傳送，2條信號線為can_h和can_l，靜態(tài)時為2.5v，此時狀態(tài)表示邏輯"1"，也叫做"隱性"。can_h比can_l高，表示邏輯"0"，稱為"顯性"，此時can_h＝3.5v，can_l＝1.5v。tja1050型can總線收發(fā)器是can協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，can總線上二端節(jié)點須加60ω電阻器和47nf電容器將信號吸收，以避免信號反射。為了增強can總線節(jié)點的抗干擾能力，sja1000的tx1與rx1通過6n137型高速光耦后與tja1050相連。這樣就很好地實現(xiàn)了總線上各can節(jié)點間的電氣隔離。其中，光耦部分電路的2個電源vcc和v_can必須完全隔離，否則采用光耦就是失去了意義。電源的完全隔離可采用小功率電源隔離模塊和通過帶多個5v隔離輸出的開關(guān)電源模塊實現(xiàn)。

3.2 軟件設(shè)計

通信協(xié)議采用"id＋命令＋數(shù)據(jù)＋校驗"的形式，其中id為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的標(biāo)識符，采用id.18－id.20。標(biāo)識符id.21－id.28作為固定命令，不參與驗收濾波。數(shù)據(jù)表示通信的具體內(nèi)容。校驗為1個字節(jié)，采用校驗和的形式，由于can總線本身具有15位crc校驗，并且該系統(tǒng)節(jié)點數(shù)少，競爭不會很激烈，通信可靠性比較高。

軟件設(shè)計思想為系統(tǒng)上電后c8051f020先對自身和sja1000進行初始化以確定工作主頻、波特率和輸出特性等，然后接收來自甲板上位機的控制命令，同時將獲取的采樣參數(shù)通過sja1000傳送到can總線上或備份到flash存儲器中；對sja1000的初始化設(shè)計是重點，也是難點，必須對寫入每個寄存器的內(nèi)容進行仔細和全面考慮，否則系統(tǒng)將無法正常運行?？稍O(shè)上位機sja1000適配卡的acr為xx20，amr為ff00。水下測控中心sja1000的acr為xx40，amr為ff00。
遵循上述思路，筆者采用c51編寫了應(yīng)用軟件，下面是部分程序清單。


由于深海測控系統(tǒng)對通信的實時性要求很高，一旦接收到甲板上傳來的控制命令就必須及時響應(yīng)，為此從can總線上接收信息采用中斷方式。即sja1000無錯地接收到消息后使int變?yōu)榈碗娖?，下降沿觸發(fā)c8051f020的外部中斷0，使其進入中斷服務(wù)程序。其流程如圖3所所示。

如果要向can總線發(fā)送數(shù)據(jù)，則必須將符合peilcan幀格式的一組數(shù)據(jù)寫入sja1000的發(fā)送緩沖區(qū)，然后調(diào)用發(fā)送子函數(shù)。這里筆者采用查詢方式來實現(xiàn)發(fā)送。流程如圖4所示。

4 結(jié)束語

基于sja1000型can控制器的深海測控系統(tǒng)基本上滿足了功耗低、體積小、重量輕、易擴展的要求，同時與甲板上位機之間的通信可靠，完全能滿足深海探測的需要，并能廣泛應(yīng)用于海洋油、氣田作業(yè)，海洋污染監(jiān)控和防治，海上漁業(yè)生產(chǎn)等，前景廣闊。