智能儀表的CAN接口設(shè)計(jì)

1 前沿

在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域內(nèi)，長(zhǎng)期以來使用rs－232通信標(biāo)準(zhǔn)，盡管被廣泛的使用，但卻是一種低數(shù)據(jù)率和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，無能力支持更高層次的計(jì)算機(jī)之間的功能操作。同時(shí)，在復(fù)雜或大規(guī)模應(yīng)用中（如工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制或生產(chǎn)自動(dòng)化領(lǐng)域），需要使用大量的傳感器、執(zhí)行器和控制器等，它們通常分布在非常廣的范圍內(nèi)，所以，在最底層的確需要一種造價(jià)低廉而又能適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的通信系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)總線（field bus）就是在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生的。

現(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)自上世紀(jì)70年代誕生至今，由于它在減少系統(tǒng)線纜，簡(jiǎn)化系統(tǒng)安裝、維護(hù)和管理，降低系統(tǒng)的投資和運(yùn)行成本，增強(qiáng)系統(tǒng)性能等方面的優(yōu)越性，引起人們的廣泛注意，得到大范圍的推廣。

can是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，最初是由德國(guó)bosch公司為汽車監(jiān)控、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。由于can總線本身的特點(diǎn)，其應(yīng)用范圍目前已不再局限于汽車行業(yè)，而向過程工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、紡織機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械、傳感器及智能儀表等領(lǐng)域發(fā)展。

智能儀表是自動(dòng)化學(xué)科的重要組成部分。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是微電子、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)日新月異的變化，智能儀表逐漸向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展。智能儀表一方面可以進(jìn)行人機(jī)對(duì)話及與外部?jī)x器設(shè)備對(duì)話，通過現(xiàn)場(chǎng)總線接入自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)；另一方面，使用者借助面板上的鍵盤和顯示屏，可用對(duì)話方式選擇測(cè)量功能，設(shè)置參數(shù)。當(dāng)然，通過總線中的工業(yè)計(jì)算機(jī)也可獲得測(cè)量節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

2 can的接口設(shè)計(jì)

can總線是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，在can總線通信接口中集成了can協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可以完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理。can總線接口的具體電路如圖1所示。

筆者用sja1000作為流量計(jì)的can控制器，與cpu（單片機(jī)）的i/o口直接相連，再通過pca82c250組成can總線。這種結(jié)構(gòu)很容易實(shí)現(xiàn)can網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的信息收發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的控制。

sja1000的ad0－ad7連接到msp420f149的p0口，int接到p1.0，cs接到p1.1，rd連接到p1.2，wr連到p1.3，ale連到p1.4，sja1000的rx0與tx0分別通過2個(gè)cnw137型高速光耦與pca82c250相連后，再連到can總線上。

pca82c250為can總線收發(fā)器，是can控制器與can總線的接口器件，對(duì)can總線以差分方式發(fā)送，其rs引腳用于選擇pca82c250的工作方式：高速方式和斜率方式。rs接地為高速，rs引腳串接1只電阻器后再接地，用于控制上升和下降斜率，從而減小射頻干擾。rs引腳接高電平，pca82c250處于等待狀態(tài)。此時(shí)發(fā)送器關(guān)閉，接收器處于低電流工作，可以對(duì)can總線上的顯性位做出反應(yīng)來通知cpu。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明15kω－200kω為串聯(lián)電阻器較理想的取值范圍，在這種情況下，可以用平行線或雙絞線作為總線，本設(shè)計(jì)中pca82c250的斜率電阻為30kω。

cnw137為高速光耦，最高速度為10mb/s，用于保護(hù)sja1000型can總線控制器。can總線的終端匹配電阻器起相當(dāng)重要的作用，不合適的電阻器會(huì)使數(shù)據(jù)通信的抗干擾性及可靠性大大降低甚至無法通信，理想的阻值范圍為108ω－132ω，該設(shè)計(jì)使用的阻值為124ω。

2.1 sja1000的功能

can通信協(xié)議主要由can控制器完成。sja1000是適用于汽車和一般工業(yè)環(huán)境控制器局域網(wǎng)（can）的高集成度控制器，具有完成高性能通信協(xié)議所要求的全部特性，具有簡(jiǎn)單總線連接的sja1000可完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能，應(yīng)用層功能可由微控制器完成，sja1000為其提供了多用途的接口。

sja1000是philips公司pca82c200型can控制器的后續(xù)產(chǎn)品，在軟件和引腳上均與pca82c200兼容，并增加了許多新的功能，性能更佳。尤其適用于對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化、診斷和維護(hù)要求比較高的場(chǎng)合。

sja1000的功能框圖如圖2所示，由以下幾部分構(gòu)成：接口管理邏輯；發(fā)送緩沖器，能夠存儲(chǔ)1個(gè)完整的報(bào)文（擴(kuò)展的或標(biāo)準(zhǔn)的）；驗(yàn)收濾波器；接收fifo；can核心模塊。

2.2 82c250
sja1000的一端與單片機(jī)相連，另一端與can總線相連。但是，為了提高單片機(jī)對(duì)can總線的驅(qū)動(dòng)能力，可以把82c250作為can控制器和物理總線間的接口，以提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送能力和對(duì)can控制器的差動(dòng)接收能力。82c250的主要特性如下：
與iso/dis11898標(biāo)準(zhǔn)兼容；
高速（最高可達(dá)1mb/s）；
具有抗汽車環(huán)境下的瞬間干擾和保護(hù)總線的能力；
降低射頻干擾的斜率控制；
熱保護(hù)功能；
防止電池與地之間發(fā)生短路；
低電流待機(jī)方式；
某個(gè)節(jié)點(diǎn)掉電不會(huì)影響總線；
可有110個(gè)節(jié)點(diǎn)相連接。
3 can通信程序
sja1000操作期間，在上電之前必須配置控制線路（中斷、復(fù)位、片選等）建立與can控制器之間通信的硬件連接。初始化、can通信采用中斷方式數(shù)據(jù)發(fā)送和接收子程序，其流程如圖3、圖4和圖5所示。

如果在上電后獨(dú)立can控制器在引腳17得到1個(gè)復(fù)位脈沖（低電平），它就能夠進(jìn)入復(fù)位模式。在對(duì)sja1000寄存器設(shè)計(jì)前，can控制器通過讀復(fù)位模式/請(qǐng)求標(biāo)志來檢查是否已進(jìn)入復(fù)位模式，因?yàn)橐渲眯畔⒌募拇嫫髦挥性趶?fù)位模式才能寫入，并涉及到對(duì)控制寄存器（cr）、驗(yàn)收碼寄存器（acr）、驗(yàn)收屏蔽寄存器（amr）、總線定時(shí)寄存器（btro和btr1）和輸出控制寄存器（ocr）的初始化編程。

時(shí)鐘分頻寄存器可以選擇basiccan或pelican工作模式，設(shè)置clkout因該使能用來選擇頻率，設(shè)置是否使用旁路can輸入比較器和是否使用tx1輸出用為專門的接收中斷輸出。

驗(yàn)收代碼和驗(yàn)收屏蔽寄存器的設(shè)置可以過濾信息，為收到的信息定義驗(yàn)收代碼；為與驗(yàn)收代碼相關(guān)位比較定義驗(yàn)收屏蔽代碼。

總線定時(shí)寄存器定義總線上的位速率。輸出控制寄存器定義can總線輸出引腳tx0和tx1的輸出模式，定義tx0和tx1輸出引腳配置是懸空、下拉、上拉或推挽以及極性。中斷寄存器設(shè)置允許識(shí)別的中斷源。

4 結(jié)束語

多個(gè)智能儀表通過can接口與pc連成總線網(wǎng)，其系統(tǒng)運(yùn)行良好。這種基于現(xiàn)場(chǎng)總線的智能儀表系統(tǒng)抗干擾性強(qiáng)，性能可靠，無論是測(cè)量速度、精確度和自動(dòng)化程序還是性價(jià)比都是傳統(tǒng)儀表不能比擬的，是今后儀器儀表發(fā)展的方向。