基于PIC單片機(jī)的嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)及其與PC的通信

摘   要：本文介紹了基于PIC16F874單片機(jī)的嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)，同時(shí)應(yīng)用PCL-841 CAN接口卡使嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)與PC之間實(shí)現(xiàn)了通信，完成了電壓、電流、溫度等信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、可靠傳輸和實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)了PC端對(duì)嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)PWM波輸出的脈沖寬度的控制。
關(guān)鍵詞：CAN總線； 智能節(jié)點(diǎn)； SPI； CAN控制器

引言
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(duì)數(shù)據(jù)的成幀處理。CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊編碼，采用這種方法可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，還可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)收到相同的數(shù)據(jù)。
本文介紹了嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)，并且應(yīng)用PC和嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)組成了CAN通信系統(tǒng)，完成了電壓、電流、溫度等信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、可靠傳輸和實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)了PC端對(duì)嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)PWM波輸出的脈沖寬度的控制。

基于PIC單片機(jī)的嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)
嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)以PIC16F874單片機(jī)作為嵌入式微控制器，以MCP2510作為CAN控制器，以PCA82C250作為CAN收發(fā)器，具有現(xiàn)場/遠(yuǎn)程控制功能。根據(jù)用戶的需求，嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)通過連接相應(yīng)的傳感器可以完成多種信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、可靠傳輸和實(shí)時(shí)顯示，PWM波輸出可以用于控制相應(yīng)的負(fù)載。嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)通過外接電路可以實(shí)現(xiàn)電路保護(hù)、現(xiàn)場組態(tài)、自動(dòng)調(diào)節(jié)、故障診斷報(bào)警、狀態(tài)檢測等功能，完成對(duì)電機(jī)、閥門、泵等電器的驅(qū)動(dòng)和智能控制。
硬件設(shè)計(jì)
Microchip公司的單片機(jī)PIC16F874采用RISC指令系統(tǒng)，哈佛總線結(jié)構(gòu)，低功耗，高速度。內(nèi)部集成了ADC、串行外圍接口(SPI)和Flash程序存儲(chǔ)器等，具有PWM輸出、LCD驅(qū)動(dòng)等功能。PIC16F874通過SPI接口可以實(shí)現(xiàn)與CAN控制器MCP2510的無縫連接。PIC16F874的I/O資源豐富，共有A、B、C、D、E五個(gè)I/O口，每個(gè)I/O口除了基本用途外還有一些特殊功能。
基于PIC16F874的嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)的硬件原理圖如圖1所示，主要包括以下四個(gè)模塊：
CAN通信模塊
嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)的CAN通信模塊由CAN控制器MCP2510和CAN收發(fā)器PCA82C250組成。MCP2510可以完成CAN總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能，支持高速SPI接口(最高數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到5Mb/s)，支持CAN2.0A/CAN2.0B協(xié)議。CAN收發(fā)器PCA82C250是CAN控制器與物理總線之間的接口，對(duì)物理總線提供差動(dòng)發(fā)送能力，對(duì)CAN控制器提供差動(dòng)接收能力，同時(shí)它可以增大通信距離，提高嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力。
PIC16F874通過SPI與CAN控制器MCP2510連接，其串行數(shù)據(jù)輸入(SDI)腳與MCP2510的SO腳相連，其串行數(shù)據(jù)輸出(SDO)腳與MCP2510的SI腳相連，其串行時(shí)鐘(SCK)腳與MCP2510的SCK腳相連。MCP2510的復(fù)位信號(hào)、片選信號(hào)由單片機(jī)A口的RA5、RA2提供，MCP2510的中斷信號(hào)、接收緩沖區(qū)滿中斷信號(hào)輸出到單片機(jī)B口的RB0、RB5。
通過設(shè)置PIC16F874的SPI接口狀態(tài)寄存器和控制寄存器使SPI接口工作于主動(dòng)方式。PIC16F874與MCP2510進(jìn)行通信時(shí)的時(shí)序是非常重要的。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先發(fā)送寫指令，再發(fā)送寄存器地址，最后發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)MCP2510接收到由總線傳來的數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生中斷，單片機(jī)響應(yīng)中斷，讀取數(shù)據(jù)時(shí)先發(fā)送讀指令，再發(fā)送寄存器地址，數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)寫入單片機(jī)SPI接口的緩沖器中。
顯示模塊
嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)采用OCMJ4Χ8顯示模塊，該顯示模塊可以顯示漢字、ASCII碼等，其所有的設(shè)置初始化工作都可以在上電時(shí)自動(dòng)完成。
OCMJ4Χ8顯示模塊的數(shù)據(jù)線DB0~DB7與單片機(jī)的D口相連，請(qǐng)求(REQ)腳、應(yīng)答(BUSY)腳分別與單片機(jī)B口的RB4、E口的RE2相連。顯示模塊的RT1、RT2引腳外接可調(diào)電阻用于調(diào)節(jié)LCD的亮度。
顯示模塊接口協(xié)議為請(qǐng)求/應(yīng)答(REQ/BUSY)握手方式。BUSY為高電平表示顯示模塊忙；當(dāng)BUSY為低電平時(shí)表示顯示模塊空閑，等待接收命令。單片機(jī)先向顯示模塊發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，然后發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)，請(qǐng)求顯示模塊進(jìn)行處理，顯示模塊置BUSY為高電平，對(duì)命令或數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理結(jié)束后置BUSY為低電平。
模擬量獲取模塊
PIC16F874單片機(jī)A口的RA0、RA1、RA3用于模擬量輸入。嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)的模擬量獲取模塊的主要功能是將需要采集的電流信號(hào)通過電流互感器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，將需要采集的溫度信號(hào)通過溫度傳感器AD590轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。
開關(guān)量輸入/輸出模塊
嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)通過I/O擴(kuò)展提供了4路開關(guān)量輸入和7路開關(guān)量輸出。開關(guān)量輸入用于電路的保護(hù)、故障報(bào)警、狀態(tài)檢測等，只要被控制對(duì)象擁有相應(yīng)的檢測元件，接入相應(yīng)的接口即可。開關(guān)量輸出用于驅(qū)動(dòng)繼電器，可以根據(jù)負(fù)載的大小確定是否需要連接接觸器控制電機(jī)、閥門、泵等電器執(zhí)行元件。根據(jù)用戶的需求，此部分電路可以做相應(yīng)的變化。
軟件設(shè)計(jì)
嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)的軟件采用匯編語言編寫，主要完成對(duì)PIC16F874(I/O口、定時(shí)器等)、SPI接口(串行口狀態(tài)寄存器SSPSTAT、串行口控制寄存器SSPCON等)、顯示模塊、I/O擴(kuò)展芯片8255和CAN控制器MCP2510(位定時(shí)配置寄存器、CAN信息接收過濾和屏蔽控制寄存器、接收發(fā)送緩沖區(qū)控制寄存器等)的初始化，設(shè)定發(fā)送、接收標(biāo)識(shí)碼(ID)，讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)值，設(shè)置嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)PWM波輸出的脈沖寬度，處理、顯示并發(fā)送采集的數(shù)據(jù)，接收、處理并顯示由總線傳來的數(shù)據(jù)等工作。
初始化系統(tǒng)
程序需要對(duì)PIC16F874單片機(jī)、顯示模塊、I/O擴(kuò)展芯片8255和CAN控制器MCP2510進(jìn)行初始化。其中對(duì)MCP2510初始化是非常重要的，主要包括設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈剩瑢?biāo)識(shí)碼和屏蔽字寫入CAN信息接收過濾和屏蔽控制寄存器。對(duì)PIC16F874進(jìn)行初始化時(shí)，要特別注意定時(shí)器TMR2的初始化。
設(shè)定發(fā)送、接收標(biāo)識(shí)碼
PIC16F874單片機(jī)C口的RC0、RC1、RC6、RC7引腳連接了一個(gè)撥碼開關(guān)。程序通過讀取這四個(gè)引腳的狀態(tài)為每個(gè)嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)分配了發(fā)送、接收標(biāo)識(shí)碼的初始值。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中智能節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多時(shí)，這種方法可以方便程序的編寫。
讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)值
PIC16F874的A口和E口可以作為模擬量輸入口，共有8個(gè)輸入通道。A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果存儲(chǔ)于單片機(jī)的ADRES寄存器。程序首先設(shè)置單片機(jī)的A/D控制寄存器ADCON1的bit3~bit0，選擇每個(gè)通道的輸入/輸出類型并設(shè)置參考電壓為5V，然后設(shè)置單片機(jī)的 A/D控制寄存器ADCON0的bit5~bit3選擇通道，設(shè)置bit0打開ADC，設(shè)置bit2啟動(dòng)ADC，最后從單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器ADRES中讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)值。
設(shè)置PWM波輸出的脈沖寬度
PIC16F874的CCP1引腳用于PWM波輸出。程序首先設(shè)置單片機(jī)的CCP1模塊控制寄存器CCP1CON的bit3~bit0，定義工作方式為PWM，然后用從PC端接收到的用于設(shè)置嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)PWM波輸出的脈沖寬度的數(shù)據(jù)設(shè)置單片機(jī)的CCP1控制寄存器CCP1CON的bit5~bit4和CCPR1L寄存器，即實(shí)現(xiàn)了PC端對(duì)嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)PWM波輸出的脈沖寬度的控制。
發(fā)送數(shù)據(jù)
程序?yàn)槊總€(gè)需要傳送到PC端的信號(hào)(電壓、電流、溫度、嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)PWM波輸出的脈沖寬度)都分配了一個(gè)標(biāo)識(shí)碼。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先向MCP2510發(fā)送寫指令，再將標(biāo)識(shí)碼、幀格式和數(shù)據(jù)長度的定義、需要發(fā)送的數(shù)據(jù)依次寫入MCP2510相應(yīng)的寄存器中。
接收數(shù)據(jù)
程序讀取CAN控制器MCP2510的中斷標(biāo)志寄存器的值，判斷接收緩沖區(qū)中是否有數(shù)據(jù)，當(dāng)接收緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)時(shí)向MCP2510發(fā)送讀指令，依次將標(biāo)識(shí)碼、幀格式和數(shù)據(jù)長度、接收到的數(shù)據(jù)從MCP2510相應(yīng)的寄存器中讀出。
處理和顯示數(shù)據(jù)
A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)值經(jīng)過程序處理后得到信號(hào)的真實(shí)值并送顯示模塊進(jìn)行顯示，主要包括數(shù)值和漢字、英文字符的顯示。同時(shí)完成了嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)PWM波輸出的脈沖寬度和從PC端接收到的數(shù)據(jù)的顯示。
PC端功能的實(shí)現(xiàn)
硬件部分
PC端采用了研華公司的PCL-841雙端口CAN接口卡，該卡具有兩個(gè)CAN通信口，最高數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到1Mbps。該卡采用內(nèi)存映射機(jī)制，即將CAN接口卡上的內(nèi)存映射至主存中，用戶可以根據(jù)需要自己設(shè)定映射內(nèi)存的基地址。
軟件部分
PC端的軟件采用C語言編寫，主要完成CAN信息的實(shí)時(shí)讀取、處理和顯示，向嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)和設(shè)置嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)PWM波輸出的脈沖寬度等工作。

設(shè)計(jì)、調(diào)試中應(yīng)當(dāng)注意的一些問題
硬件方面
嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)
設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)注意處理好復(fù)位和時(shí)鐘信號(hào)，包括不同器件之間復(fù)位的先后時(shí)序。在進(jìn)行溫度信號(hào)的采集時(shí)，要特別注意溫度傳感器AD590的調(diào)零。AD590是一個(gè)恒流源，它的特性是絕對(duì)溫度每變化1℃電流增/減1mA，絕對(duì)溫度0℃時(shí)為0mA。為抵消AD590在0℃時(shí)的電壓，需要加入一個(gè)負(fù)電源使其在0℃時(shí)輸出為0V，再選擇合適的電阻把電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷?，就可以把溫度信?hào)的采集變?yōu)?~5V電壓信號(hào)的采集。
調(diào)試過程中應(yīng)首先檢查各芯片的工作電壓是否正常，晶振是否起振，復(fù)位信號(hào)是否正確。要經(jīng)常察看各芯片的發(fā)熱狀況，出現(xiàn)溫度過高時(shí)應(yīng)立即斷電檢查。必要時(shí)可使用示波器觀測信號(hào)波形進(jìn)行分析。
PC端
由于PCL-841雙端口CAN接口卡占用PC的串口資源，因此在BIOS設(shè)置中應(yīng)將串口設(shè)置為Disable，還應(yīng)該特別注意CAN接口卡占用的內(nèi)存資源是否被其它硬件占用，如果已經(jīng)被占用，則應(yīng)修改CAN接口卡內(nèi)存映射的首地址，同時(shí)更改CAN接口卡上的跳線，否則CAN接口卡無法正常工作。
軟件方面
嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)
在編寫嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)的程序時(shí)，需要特別注意的是CAN控制器MCP2510的初始化，務(wù)必使一個(gè)系統(tǒng)中的所有智能節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸波特率相同，否則嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)將無法和PC端進(jìn)行通信。應(yīng)當(dāng)注意必須正確地將標(biāo)識(shí)碼和屏蔽字寫入MCP2510的CAN信息接收過濾和屏蔽控制寄存器，否則嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)將無法正確的發(fā)送和接收CAN信息。
調(diào)試過程中應(yīng)注意通過查看各個(gè)寄存器的值來判斷程序執(zhí)行的程度。
PC端
在編寫PC端的程序時(shí)，需要將PCL-841雙端口CAN接口卡驅(qū)動(dòng)程序庫CAN841S.LIB嵌入到自己的工程中，驅(qū)動(dòng)程序庫中封裝了直接操控CAN接口卡的函數(shù)。對(duì)CAN接口卡進(jìn)行操控時(shí)必須按照規(guī)定流程進(jìn)行，否則CAN接口卡無法正常工作或者無法正確的發(fā)送和接收CAN信息。
調(diào)試過程中應(yīng)采取下斷點(diǎn)和單步執(zhí)行相結(jié)合的調(diào)試方法，注意根據(jù)函數(shù)的返值來分析出現(xiàn)問題的原因。

結(jié)語
本課題初步完成了基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集和智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、傳輸可靠，通過了有關(guān)部門的專業(yè)測試。同時(shí)設(shè)計(jì)的嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)可以迅速、準(zhǔn)確地接收到PC端發(fā)送的數(shù)據(jù)。■

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