基于dsPIC30F6014的CAN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

引言

CAN，全稱為“Controller Area Network”，即控制器局域網(wǎng)，是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。作為一種技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、功能完善、成本合理的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通訊控制方式，CAN-bus已被廣泛應(yīng)用到各個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，具有不可比擬的優(yōu)越性。

新型16位dsPIC30F6014數(shù)字信號(hào)控制器結(jié)合單片機(jī)的控制優(yōu)點(diǎn)及數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的高速運(yùn)算特性，為嵌入式系統(tǒng)提供了單一芯片解決方案。

本篇論文以CAN協(xié)議為基礎(chǔ)，結(jié)合dsPIC30F6014的突出性能，在設(shè)計(jì)通訊接口過(guò)程中，提出了基于dsPIC30F6014數(shù)字信號(hào)控制器的CAN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法。

1 dsPIC30F6014數(shù)字信號(hào)控制器與CAN總線

1.1 dsPIC30F6014數(shù)字信號(hào)控制器特點(diǎn)

dsPIC30F6014數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）是單片嵌入式控制器，它集成了單片機(jī)（MCU）的控制功能以及數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)吞吐能力，運(yùn)算速度可達(dá)20和30 MIPS，配備自編程閃存，并能在工業(yè)級(jí)溫度和擴(kuò)展級(jí)溫度范圍內(nèi)工作。以16位單片機(jī)為核心的 dsPIC30F6014數(shù)字信號(hào)控制器不僅具有功能強(qiáng)大的外圍設(shè)備和快速中斷處理能力，又融合了可管理高速計(jì)算活動(dòng)的數(shù)字信號(hào)處理器功能。dsPIC30F CPU 模塊采用16 位（數(shù)據(jù)）改良的哈佛架構(gòu)，并帶有增強(qiáng)型指令集包含對(duì)DSP 的有力支持。CPU 擁有24 位指令字，指令字帶有長(zhǎng)度可變的操作碼字段。 程序計(jì)數(shù)器（PC）為24位寬，可以尋址高達(dá)4M × 24 位的用戶程序存儲(chǔ)器空間。 單周期指令預(yù)取機(jī)制用來(lái)幫助維持吞吐量并提供可預(yù)測(cè)的執(zhí)行。配備144K字節(jié)增強(qiáng)型閃存及8K字節(jié)靜態(tài)RAM，8K字節(jié)EEPROM，能支持大型的復(fù)雜應(yīng)用。dsPIC系列產(chǎn)品與現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)不同，系統(tǒng)集成了振蕩器，低電壓檢測(cè)，看門狗定時(shí)器，產(chǎn)品無(wú)需使用額外的元件，可降低主板面積和系統(tǒng)成本，為嵌入式系統(tǒng)提供了單一芯片解決方案。此外還具備一系列片上功能，包括I/O端口、定時(shí)器、輸入捕捉、輸出比較、UART、12位A/D轉(zhuǎn)換器、SPI接口、I2C接口及ＣＡＮ通信等模塊。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

這些特性使之成為需要更高精確度、更快轉(zhuǎn)速或無(wú)傳感器控制的電機(jī)控制應(yīng)用領(lǐng)域如非傳感無(wú)刷直流電機(jī)、磁阻轉(zhuǎn)換和感應(yīng)電機(jī)的理想解決方案，另外還可以應(yīng)用于因特網(wǎng)接入設(shè)備和汽車產(chǎn)品；生物特徵檢測(cè)保護(hù)--如指紋識(shí)別；不間斷電源、電源管理和話音開(kāi)關(guān)(話音識(shí)別系統(tǒng))等領(lǐng)域。

1.2 CAN總線技術(shù)特點(diǎn)

CAN是主要用于各種過(guò)程（設(shè)備）監(jiān)測(cè)及控制的一種網(wǎng)絡(luò)。最初是德國(guó)BOSCH公司為汽車的監(jiān)測(cè)、控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。由于CAN具有卓越的特性和極高的可靠性，特別適合于工業(yè)過(guò)程中監(jiān)控設(shè)備的互連，因此，越來(lái)越受到工業(yè)界的重視。具體來(lái)說(shuō)，CAN具有如下特性：

（1） CAN可以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可以在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活；

（2） CAN可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（成組）及全局廣播方式傳送接收數(shù)據(jù)；

（3） CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息可分成不同的優(yōu)先級(jí)，可以滿足不同的實(shí)時(shí)要求；

（4） CAN采用非破壞性總線仲載技術(shù)。當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，大大地節(jié)省了總線仲載沖突時(shí)間，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓；

（5） CAN的直接通信距離最大可達(dá)10km（速率小于5kbps），最高通信速率可達(dá)1Mkbps（此時(shí)距離最長(zhǎng)為40m）。

2 CAN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1 CAN節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

圖2所示為CAN總線網(wǎng)絡(luò)示例。圖中給出了三種CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方式：微控制器+CAN控制器+CAN收發(fā)器；集成CAN控制器的微控制器+CAN收發(fā)器；CAN的串行I/O器件+CAN收發(fā)器。其中節(jié)點(diǎn)1由MICROCHIP公司的dsPIC30F6014集成CAN控制器+MCP2551CAN收發(fā)器構(gòu)成；節(jié)點(diǎn)2由MICROCHIP公司的PIC單片機(jī)+SPI接口的MCP2550串行CAN控制器+MCP2551CAN收發(fā)器構(gòu)成；PC機(jī)的CAN節(jié)點(diǎn)由Philips公司的SJA1000CAN控制器+PCA82C250CAN收發(fā)器構(gòu)成。本文的研究和試驗(yàn)結(jié)果就是在這一網(wǎng)絡(luò)框架下完成的。

顯然dsPIC30F6014只需加上CAN總線收發(fā)電路就可掛接到CAN通信網(wǎng)絡(luò)上，大大簡(jiǎn)化了通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，同時(shí)可減少通信節(jié)點(diǎn)受到干擾的概率。CAN模塊通過(guò)CAN控制器接口芯片MCP2551連接到物理總線上。MCP2551是一個(gè)可容錯(cuò)的高速CAN器件，可作為CAN協(xié)議控制器和物理總線接口。MCP2551 可為CAN 協(xié)議控制器提供差分收發(fā)能力，它完全符合ISO-11898標(biāo)準(zhǔn)，包括能滿足24V 電壓要求。它的工作速率高達(dá)1 Mb/s。

2.2 CAN節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

CAN總線的3層結(jié)構(gòu)模型為: 物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)主要在應(yīng)用層軟件的設(shè)計(jì)上，CAN總線節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要包括三大部分：CAN節(jié)點(diǎn)初始化、報(bào)文發(fā)送和報(bào)文接收。初始化程序設(shè)計(jì)對(duì)于CAN總線節(jié)點(diǎn)的正常工作相當(dāng)重要。它主要包括工作方式的設(shè)置、接收屏蔽寄存器和接收代碼寄存器的設(shè)置、總線定時(shí)器的設(shè)置和中斷允許寄存器的設(shè)置。MICROCHIP公司提為開(kāi)發(fā)者提供了豐富的開(kāi)發(fā)工具和應(yīng)用程序庫(kù)，使得開(kāi)發(fā)代碼效率大大提高。由于CAN 協(xié)議沒(méi)有規(guī)定信息標(biāo)識(shí)符的分配，因此可以根據(jù)不同應(yīng)用使用不同的方法，所以在設(shè)計(jì)一個(gè)基于CAN 的通訊系統(tǒng)時(shí)確定CAN 標(biāo)識(shí)符的分配非常重要。標(biāo)識(shí)符的分配和定位也是較高層解決手段的其中一個(gè)主要的項(xiàng)目。當(dāng)前較流行的CAN應(yīng)用層協(xié)議有 CANOpen協(xié)議DeviceNet協(xié)議。DeviceNet協(xié)議適合于工廠自動(dòng)化控制，CANOpen協(xié)議適合于所有機(jī)械的嵌入式網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于小型網(wǎng)絡(luò)（圖2所示）Modbus 協(xié)議是一個(gè)不錯(cuò)的解決發(fā)案。Modbus 協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言，通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一個(gè)通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。有了它不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中監(jiān)控。 Modbus 協(xié)議支持主/從通訊方式同時(shí)也支持使用對(duì)等技術(shù)通訊。因此Modbus協(xié)議不僅能夠支持RS232、RS485 網(wǎng)絡(luò)也能夠充分發(fā)揮CAN-bus 網(wǎng)絡(luò)的性能與通訊效率。

3 系統(tǒng)應(yīng)用中應(yīng)注意的問(wèn)題

在實(shí)際運(yùn)行中, 經(jīng)常會(huì)遇到CAN總線不通和數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中丟幀現(xiàn)象，糾其原因主要有以下幾方面：

（1）為了進(jìn)一步提高抗干擾措施, 在CAN控制器和收發(fā)器之間應(yīng)使用由高速隔離器件如6N137 構(gòu)成的隔離電路，同時(shí)采用DC-DC模塊將電源隔離，增強(qiáng)抗電磁干擾能力，保護(hù)系統(tǒng)電路不受網(wǎng)絡(luò)影響。

（2） 總線兩端的2個(gè)120歐姆的電阻, 對(duì)于匹配總線阻抗, 起著相當(dāng)重要的作用。若忽略掉它們,會(huì)使數(shù)據(jù)通信的抗干擾性及可靠性大大降低, 甚至無(wú)法通訊。

（3） 在軟件設(shè)計(jì)時(shí), CAN 總線定時(shí)器的設(shè)置非常關(guān)鍵, CAN 總線上的所有控制器必須有相同的波特率和位長(zhǎng)度。然而，不同的控制器并不要求使用相同的主振蕩器時(shí)鐘。如果各個(gè)控制器的時(shí)鐘頻率不同，必須通過(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)段的時(shí)間份額數(shù)調(diào)節(jié)波特率。下面是時(shí)間段編程的一些要求：

? 傳播段+ 相位緩沖段1> = 相位緩沖段2

? 相位緩沖段2 > 同步跳轉(zhuǎn)寬度

通常，位的采樣應(yīng)當(dāng)發(fā)生在位時(shí)間的60-70% 左右，取決于系統(tǒng)參數(shù)。

結(jié)語(yǔ)

本文的創(chuàng)新觀點(diǎn)在于：詳細(xì)介紹了dsPIC30F6014數(shù)字信號(hào)控制器CAN節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)方案。研究和試驗(yàn)結(jié)果表明利用dsPIC30F6014數(shù)字信號(hào)控制器構(gòu)成的CAN節(jié)點(diǎn)具有許多優(yōu)良的性能，并能充分發(fā)揮節(jié)點(diǎn)的功能，為嵌入式系統(tǒng)CAN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)提供了一種新型實(shí)用方案。