基于ADμC812的CAN總線智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

　　摘要：介紹了一種用單片機(jī)ADμC812、CAN總線控制器SJA1000和CAN總線驅(qū)動(dòng)器POA82C250組成的CAN總線智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案，給出了該節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)方法，同時(shí)介紹了CAN總線的主要特點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞：CAN總線；ADμC812；數(shù)據(jù)采集卡

１　引言

　　ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）總線協(xié)議最初是以研發(fā)和生產(chǎn)汽車(chē)電子產(chǎn)品著稱(chēng)的德國(guó)ＢＯＳＣＨ公司開(kāi)發(fā)的，它是一種支持分布式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的串行通信局域網(wǎng)。目前，ＣＡＮ總線以其高性能、高可靠性、實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中的檢測(cè)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)通信中。ＣＡＮ總線具有以下一些技術(shù)特性：

　　●多主方式工作，采用非破壞性的基于優(yōu)先權(quán)的總線仲裁技術(shù)；

　　●借助接收濾波可實(shí)現(xiàn)多地址的幀傳送；

　　●數(shù)據(jù)采用短幀結(jié)構(gòu)，抗干擾性強(qiáng)，數(shù)據(jù)幀的信息ＣＲＣ校驗(yàn)及其它錯(cuò)誤檢測(cè)措施完善；

　　●發(fā)送期間丟失仲裁或由于出錯(cuò)而遭破獲的幀可以自動(dòng)重發(fā)；

　　●嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)可自動(dòng)關(guān)閉總線功能，以使總線其它操作不受影響。

    ＣＡＮ總線符合ＩＳＯ１１８９８標(biāo)準(zhǔn)，最大傳輸速率為１ＭＢ／ｓ時(shí)傳輸距離最大為４０ｍ；傳輸速率為５ｋＢ／ｓ時(shí)的最大傳輸距離為１０ｋｍ。ＣＡＮ總線的傳輸介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜等。由于ＣＡＮ總線是一種很有發(fā)展前景的現(xiàn)場(chǎng)總線，因此得到了國(guó)際上很多大公司的支持，加之基于ＣＡＮ總線的硬件接口簡(jiǎn)單，編程方便，系統(tǒng)容易集成。因此它特別適用于系統(tǒng)分布比較分散、實(shí)時(shí)性要求高、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾大的場(chǎng)合。

２　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　由于ＣＡＮ總線采用多主方式工作，所以它具有與ＤＣＳ控制系統(tǒng)不一樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其控制系統(tǒng)的構(gòu)成由計(jì)算機(jī)和智能節(jié)點(diǎn)組成，圖１所示是其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)最大的特點(diǎn)就是所有的節(jié)點(diǎn)（包括上位ＰＣ機(jī)）都能以平等的地位掛接在總線上。一個(gè)ＣＡＮ總線節(jié)點(diǎn)通常至少包括三個(gè)部分，即負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)任務(wù)控制的單片機(jī)、ＣＡＮ總線控制器以及ＣＡＮ總線收發(fā)器。本文給出的就是一個(gè)可完成數(shù)據(jù)采集功能的ＣＡＮ節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法。

３　ＣＡＮ節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

　　本ＣＡＮ節(jié)點(diǎn)的電路原理簡(jiǎn)圖如圖２所示。該電路的三個(gè)核心器件是單片機(jī)ＡＤμＣ８１２１、獨(dú)立的ＣＡＮ總線控制器ＳＪＡ１０００和ＣＡＮ總線驅(qū)動(dòng)器ＰＣＡ８２Ｃ２５０。其中ＳＪＡ１０００２和ＰＣＡ８２Ｃ２５０兩者的組合應(yīng)用已經(jīng)在很多ＣＡＮ總線節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中用到，而本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)就在于，它是根據(jù)要完成數(shù)據(jù)采集功能這一具體要求來(lái)選用微控制器ＡＤμＣ８１２。圖２中的串行接口芯片ＭＡＸ２３２作為ＡＤμＣ８１２與ＰＣ機(jī)的串口連接，它的使用是由該單片機(jī)的調(diào)試特點(diǎn)決定的。

　?。粒摩蹋茫福保彩歉叨燃伞⒏呔龋保参粩?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該產(chǎn)品在其內(nèi)核中集成了帶有片內(nèi)可重編程非易失性閃速／電擦除程序存儲(chǔ)器的高性能８位（與８０５１兼容）ＭＣＵ和多通道（８?jìng)€(gè)輸入通道）１２位ＡＤＣ。

　　由于ＡＤμＣ８１２只需要通過(guò)其串口模塊和計(jì)算機(jī)的串口進(jìn)行連接，而不需要額外的仿真器，因而可利用ＡＤＩ公司的ＱＵＩＣＫＳＴＡＲＴ軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)程序的在線下載、在線調(diào)試和在線仿真，從而極大地提高了工作效率。這也是本設(shè)計(jì)使用ＭＡＸ２３２的原因。

　　該系統(tǒng)在工作時(shí)，首先將從前面?zhèn)鞲衅魉蛠?lái)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（４～２０ｍＡ或１～５Ｖ）通過(guò)調(diào)理電路變?yōu)椋啊玻担值哪M電壓信號(hào)輸入至ＡＤμＣ８１２的Ｐ０．０～Ｐ０．７ （ＡＤ０～ＡＤ７）引腳（根據(jù)實(shí)際情況確定所需ＡＤ端口的數(shù)量），然后通過(guò)程序控制，再將Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字信息通過(guò)ＳＪＡ１０００和ＰＣＡ８２Ｃ２５０送到ＣＡＮ總線上的相關(guān)節(jié)點(diǎn)。

　?。樱剩粒保埃埃白鳛槲⒖刂破鞯钠鈹U(kuò)展芯片，其片選引腳ＣＳ應(yīng)接在微控制器的Ｐ２．０上，以用于決定ＣＡＮ控制器各寄存器的地址。ＳＪＡ１０００通過(guò)ＣＡＮ總線驅(qū)動(dòng)器ＰＣＡ８２Ｃ２５０連接在物理總線上。ＰＣＡ８２Ｃ２５０器件可提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送能力和對(duì)ＣＡＮ控制器的差動(dòng)接受能力，它同時(shí)完全和“ＩＳＯ１１８９８”標(biāo)準(zhǔn)兼容。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，一般在ＣＡＮ總線控制器ＳＪＡ１０００和ＣＡＮ總線驅(qū)動(dòng)器ＰＣＡ８２Ｃ２５０之間加接６Ｎ１３７光電隔離芯片，只不過(guò)在圖２中沒(méi)有表示出來(lái)。由于通信信號(hào)傳輸?shù)綄?dǎo)線的端點(diǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生反射，而且反射信號(hào)會(huì)干擾正常信號(hào)的傳輸，因此，總線兩端應(yīng)接有終端電阻Ｒ１、Ｒ２，以消除反射信號(hào)，其阻值應(yīng)當(dāng)與傳輸電纜的特性阻抗大致相當(dāng)。

４?。茫粒喂?jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

　　本節(jié)點(diǎn)的軟件編程主要包括Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換（ＡＤＣ）、ＣＡＮ控制器的初始化、ＣＡＮ總線數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收等幾個(gè)部分。主程序的流程圖如圖３所示。

下面分別對(duì)這幾個(gè)主要部分的程序設(shè)計(jì)做一介紹。

４．１ Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換部分

　　筆者在本設(shè)計(jì)中采用的是單步Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換模式，并將Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換結(jié)果存入指定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。具體步驟如下：

　?。ǎ保┩ㄟ^(guò)設(shè)置ＡＤＣ控制寄存器（ＡＤＣＣＯＮ１和ＡＤＣＣＯＮ２）的值來(lái)確定Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換的工作狀態(tài)和采樣通道號(hào)；

　?。ǎ玻┦鼓埽粒模弥袛?，置位ＳＣＯＮＶ位以啟動(dòng)單步Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換；

　?。ǎ常┑却憫?yīng)ＡＤＣ中斷，并進(jìn)入中斷服務(wù)程序；

　?。ǎ矗┌巡蓸铀玫臄?shù)據(jù)從ＡＤＣＤＡＴＡＬ和ＡＤＣ-ＤＡＴＡＨ兩個(gè)特殊寄存器中取出，并存入預(yù)設(shè)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，然后退出中斷服務(wù)程序；

　?。ǎ担┡袛嗨柰ǖ朗欠癫蓸油戤叄绻赐瓿?，則設(shè)置采樣通道號(hào)并返回步驟（２），若完成則退出Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換子程序。

　　通過(guò)該程序可隨時(shí)根據(jù)實(shí)際需要更改采樣通道數(shù)，并將采樣結(jié)果直接存入指定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，以為今后向ＣＡＮ總線發(fā)送所得數(shù)據(jù)提供便利。

４．２ ＳＪＡ１０００的初始化

　?。茫粒蔚耐ㄐ艆f(xié)議主要是由ＣＡＮ控制器完成的，因此，要想實(shí)現(xiàn)ＣＡＮ節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送，對(duì)ＣＡＮ控制器的初始化是十分關(guān)鍵的。這個(gè)步驟直接決定著該ＣＡＮ網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)所共同遵守的協(xié)議。對(duì)ＳＪＡ１０００進(jìn)行初始化實(shí)際上就是通過(guò)單片機(jī)向其片內(nèi)的各個(gè)寄存器寫(xiě)入控制字的過(guò)程，其寄存器包括以下幾個(gè)：

　?。遥牛?ＣＯＮＴＲＯＬ—內(nèi)部控制寄存器地址；

　?。遥牛?ＣＯＭＭＡＮＤ—內(nèi)部命令寄存器地址；

　?。遥牛?ＳＴＡＴＵＳ —內(nèi)部狀態(tài)寄存器地址；

　?。遥牛?ＩＮＴＥＲＲＵＰＴ—內(nèi)部中斷寄存器地址；

　?。遥牛?ＡＣＲ—內(nèi)部驗(yàn)收代碼寄存器地址；

　?。遥牛?ＡＭＲ—內(nèi)部驗(yàn)收屏蔽寄存器地址；

　?。遥牛?ＢＴＲ０—總線定時(shí)寄存器０；

　　ＲＥＧ ＢＴＲ１—總線定時(shí)寄存器１；

　　ＲＥＧ ＯＣＲ—輸出控制寄存器。

　　其中：ＢＴＲ０、ＢＴＲ１寄存器的內(nèi)容可用于決定系統(tǒng)通信的波特率和ＣＡＮ協(xié)議物理層中的同步跳轉(zhuǎn)寬度，因此，對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)中的所有節(jié)點(diǎn)，這兩個(gè)寄存器的內(nèi)容必須相同（包括上位機(jī)），否則將無(wú)法進(jìn)行通信；ＯＣＲ寄存器的內(nèi)容用于決定ＣＡＮ控制器的輸出方式；而寫(xiě)入ＡＣＲ、ＡＭＲ寄存器的內(nèi)容則要根據(jù)實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和報(bào)文標(biāo)志符來(lái)決定。本設(shè)計(jì)中，筆者采用的是ＢａｓｉｃＣＡＮ模式。

　　完成初始化后，ＣＡＮ控制器就能正常運(yùn)行了，但是要實(shí)現(xiàn)具體的數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)，還必須編制特定的收、發(fā)程序。

４．３ ＣＡＮ總線數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收

　?。ǎ保┌l(fā)送部分的程序設(shè)計(jì)

　　用ＣＡＮ總線發(fā)送數(shù)據(jù)的流程圖如圖４所示。實(shí)際上，在程序運(yùn)行過(guò)程中，常常會(huì)在發(fā)送某一幀數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)上一幀的數(shù)據(jù)還沒(méi)有完全發(fā)送完畢（可以通過(guò)查詢狀態(tài)寄存器ＲＥＧ ＳＴＡＴＵＳ的第４位ＢＩＴ ＴＣＳ的顯、隱狀態(tài)可了解上次數(shù)據(jù)的發(fā)送情況）。因此，筆者采用的處理方法是：通過(guò)指令啟動(dòng)本次發(fā)送之后，就不停地查詢狀態(tài)寄存器，以判斷本次發(fā)送是否完成，直到確定完成為止。這樣可以為下次發(fā)送提供便利，同時(shí)也有利于程序的順利執(zhí)行，從而避免出現(xiàn)錯(cuò)誤。

　?。ǎ玻┙邮詹糠值某绦蛟O(shè)計(jì)

　　圖５所示是該系統(tǒng)接收部分的軟件流程圖。

　　實(shí)際上，在對(duì)響應(yīng)速度要求不太高的場(chǎng)合，以查詢方式來(lái)設(shè)計(jì)接收子程序是最簡(jiǎn)單、最可靠的方式。如果總線上有數(shù)據(jù)發(fā)往本節(jié)點(diǎn)，則通過(guò)查詢狀態(tài)寄存器的第１位ＢＩＴ＿ＲＢＳ的位狀態(tài)，便可得知接收緩沖區(qū)（ＲＸＦＩＦＯ）中的可用信息，然后通過(guò)軟件將ＲＸＦＩＦＯ中的數(shù)據(jù)逐個(gè)“移入”到指定的片內(nèi)存儲(chǔ)空間即可。對(duì)于這樣一個(gè)主要以數(shù)據(jù)采集功能為主的ＣＡＮ節(jié)點(diǎn)，這些數(shù)據(jù)多半是由ＣＡＮ網(wǎng)絡(luò)中的“控制中心”發(fā)來(lái)的控制信號(hào)，設(shè)計(jì)時(shí)把它們留給ＡＤμＣ８１２進(jìn)一步處理就可以了。

　　還應(yīng)注意的是：在接收查詢過(guò)程中，要“觀察”是否有總線關(guān)閉、總線出錯(cuò)、接收緩沖器超載等狀態(tài)，如果有的話，必須要進(jìn)行相應(yīng)的“錯(cuò)誤”處理，否則也不能正常進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，還有一個(gè)問(wèn)題是關(guān)于遠(yuǎn)程幀的處理。限于篇幅，本文不作介紹。

５　結(jié)束語(yǔ)

　　實(shí)踐證明：本文所介紹的ＣＡＮ總線智能節(jié)點(diǎn)能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)模擬輸出信號(hào)的采集以及與ＣＡＮ總線上其它節(jié)點(diǎn)的通信。由于該節(jié)點(diǎn)是基于單片機(jī)ＡＤμＣ８１２開(kāi)發(fā)的，因此它的體積小巧且擴(kuò)展靈活。筆者相信，基于該單片機(jī)的各種總線節(jié)點(diǎn)一定會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。