SPMC65單片機在CAN總線智能節(jié)點中的應用
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CAN, 全稱為“Controller Area Network”，是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。20世紀80年代初，德國Bosch公司為了解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀表之間的數(shù)據(jù)交換問題，開發(fā)出 CAN總線。CAN總線能有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡，具有抗干擾性強和使用可靠等優(yōu)點，最初主要應用汽車工業(yè)，現(xiàn)在廣泛應用于汽車工業(yè)、航空工業(yè)和工業(yè)控制等自動化領域，如分布式環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、變電站變監(jiān)測系統(tǒng)等。
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，可完成對數(shù)據(jù)的成幀處理，用戶可在其基礎上開發(fā)適應系統(tǒng)實際需要的應用層通信協(xié)議。CAN協(xié)議的一個最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊編碼，采用這種方法可使網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制，還可使不同的節(jié)點同時收到相同的數(shù)據(jù)。
CAN總線提供高速數(shù)據(jù)傳送, 在短距離(40m)條件下具有高速(1Mbit/s)數(shù)據(jù)傳輸能力，而在最大距離10000m時具有低速(5kbits/s)傳輸能力，極適合在高速的工業(yè)自控應用上，CAN總線可在同一網(wǎng)絡上連接多種不同功能的傳感器（如位置,溫度或壓力等）。
CAN總線的其他特點如下：
?。?）它是一種多主總線，即每個節(jié)點機均可成為主機，且節(jié)點機之間也可進行通信；
（2）通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維，通信速率可達1Mbps；
?。?）數(shù)據(jù)段長度最多為8個字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領域中控制命令，工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時，8個字節(jié)不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性；
?。?）CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。
CAN可以以多主方式工作，網(wǎng)絡上任意節(jié)點均可以在任意時刻主動地向總線上其它節(jié)點發(fā)送信息，實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播幾種方式發(fā)送接收數(shù)據(jù)；CAN采用非破壞性總線仲裁技術，當兩個節(jié)點同時向總線上發(fā)送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)省了總線沖突仲裁時間。
圖1-1為一個CAN總線應用系統(tǒng)，主要有主機和各節(jié)點組成，主機和節(jié)點之間通過CAN收發(fā)器及CAN控制器相連，單個節(jié)點包括一個單片機控制器、一個CAN收發(fā)器和一個CAN控制器。其中一個典型的應用是：主機接收各節(jié)點發(fā)送的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，如現(xiàn)場溫度、電流或壓力等參數(shù)，主機經(jīng)過綜合計算、判斷作出相應的控制命令，這些命令將通過CAN總線傳送至各節(jié)點。各節(jié)點由單片機作為控制器，它用于采集現(xiàn)場的各項參數(shù)，并執(zhí)行主機發(fā)送的各項命令，這些命令將最終傳送至各執(zhí)行機構(gòu)，如閥門、電機或泵等。
圖1-1 CAN總線應用系統(tǒng)
本文將介紹基于凌陽8位通用型工控單片機的CAN總線智能節(jié)點的設計。本文將闡述智能節(jié)點中的主控器SPMC65P2404A在本方案中的應用特點，及主控器與CAN總線控制器之間的通信。
2芯片特性簡介
SPMC65P2404A是凌陽推出的8位工業(yè)控制單片機，最高工作頻率為8MHz，工作電壓3.0V~5.0V，有192字節(jié)的RAM和4K字節(jié)的OTP ROM，具備23個可編程IO口，內(nèi)置上/下拉電阻，8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器（100KHz），SPMC65P2404其他特性包括：
◆凌陽科技8位單片機
☉182條指令
☉11種尋址模式
☉支持位操作（Set,Clear,Inverse,Test）
◆2個8位可編程定時器/計數(shù)器(可自動預置初始計數(shù)值)
☉普通的定時/計數(shù)器
☉具有8位捕獲功能
☉具有8位比較功能
◆2個16位可編程定時器/計數(shù)器(可自動預置初始計數(shù)值)
☉普通的定時/計數(shù)器
☉具有8或16位捕獲功能
☉具有16位比較功能
☉12位PWM輸出
◆中斷方式
☉支持IRQ和NMI中斷
☉4種外部中斷
☉12種內(nèi)部中斷
◆具有SPI總線：最高通信速率為2Mbps
◆5種復位功能：上電復位、低電壓復位、看門狗復位、外部復位及錯誤地址復位
◆支持3種時鐘電路：晶體振蕩器、RC振蕩、外部信號
◆2種低功耗模式：Halt模式和Stop模式
◆一個蜂鳴器驅(qū)動輸出口
3智能節(jié)點硬件設計
在工業(yè)控制中，通常需要進行電壓、電流、溫度等信號的實時采集、可靠傳輸和實時顯示，實現(xiàn)了PC端對CAN智能節(jié)點的有效控制。為了達到工業(yè)控制上這些控制要求，CAN總線上的節(jié)點通常需要有微控器作為節(jié)點的主控器。主控器完成現(xiàn)場各項參數(shù)的采集、響應相關的外部事件、接受外部按鍵命令、產(chǎn)生驅(qū)動信號、顯示相關參數(shù)及與CAN總線控制器通信。圖3-1為SPMC65P2404A作為節(jié)點控制器，各個部件的連接示意圖。
圖 3-1智能節(jié)點示意圖
※ 數(shù)據(jù)采集部件：
在工業(yè)控制現(xiàn)場，通常會有各類傳感器，如電流互感器、溫度傳感器、壓力傳感器等，將現(xiàn)場的電流、溫度及壓力等參數(shù)轉(zhuǎn)化為模擬電信號，這些模擬信號輸入MCU中的A/D轉(zhuǎn)換器，最終得到可傳輸?shù)臄?shù)字信號。SPMC65P2404A具有8通道10位精度的A/D轉(zhuǎn)換器，并可以選擇內(nèi)部或外部參考電壓，能夠滿足多通道、高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換。
※現(xiàn)場人機交互部件：
人機交互部件可以實現(xiàn)工作人員在現(xiàn)場對某個節(jié)點進行操作控制，人機交互部件包括鍵盤、紅外遙控器、LED或LCD顯示。比如，顯示模塊可以實時顯示現(xiàn)場參數(shù)，工作人員操作鍵盤或遙控器上的某些按鍵，可以啟動電機或電閥門等執(zhí)行機構(gòu)，使系統(tǒng)達到預設定的效果。
SPMC65P2404A具有多組捕獲功能，使用捕獲功能，可以很方便的實現(xiàn)紅外信號解碼。
※快速響應外部突發(fā)事件：
在工業(yè)控制現(xiàn)場，突發(fā)事件保護機制非常重要。對現(xiàn)場的突發(fā)事件實行快速響應，并做出保護動作將使控制現(xiàn)場更安全。在節(jié)點設計中，可以使用MCU快速響應外部中斷，在MCU的中斷程序中，切斷驅(qū)動信號的輸出。SPMC65P2404A能夠響應4個外部中斷，并且每個外部中斷可以設定為非屏蔽中斷或屏蔽中斷。
※產(chǎn)生執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動信號：
工業(yè)控制現(xiàn)場會有多種執(zhí)行機構(gòu)，如電機、電閥門等，正對各種每種執(zhí)行機構(gòu)，MCU會輸出相應的驅(qū)動信號，以控制這些機構(gòu)。SPMC65P2404A具有2路12位的PWM輸出能力，有2路比較輸出功能，同時，每個I/O口都具備驅(qū)動LED的能力。利用SPMC65P2404A的這些功能，并配合相應的驅(qū)動電路，就可以有效控制電機、電閥門等。
※節(jié)點通信連接：
在智能節(jié)點的設計中，需要使用CAN控制器及CAN收發(fā)器，作為主控器與CAN總線之間的連接媒介。本智能節(jié)點使用MCP2510作為CAN控制器和PCA82C250作為CAN收發(fā)器。它們之間的連接是：MCU主控器通過SPI總線與CAN控制器通信，CAN控制器通過光電隔離器件與CAN收發(fā)器連接。SPMC65P2404A內(nèi)部集成SPI總線，SPI總線支持全雙工同步傳輸，具有主、從兩種模式，最高通信速率為2Mbps。CAN控制器MCP2510也具備SPI總線。
4 智能節(jié)點軟件設計
智能節(jié)點程序包括主程序和中斷程序兩部分，主程序處理常規(guī)的數(shù)據(jù)采集及控制操作，中斷程序則處理異常事件及紅外信號解碼。
主程序包括系統(tǒng)初始化、按鍵掃描、紅外信號處理、顯示處理、電流信號采集、溫度數(shù)據(jù)采集、壓力信號采集、與CAN控制器通信、驅(qū)動信號產(chǎn)生等模塊。程序流程圖如圖4-1所示：
圖 4-1主程序流程圖
主流程采用分時結(jié)構(gòu)，在每個不同的時間片進行不同的工作。對主程序的循環(huán)時間實行定時，使得主程序每1ms循環(huán)一次。
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