基于ADμC812的CAN總線智能節(jié)點的設計

　　摘要：介紹了一種用單片機ADμC812、CAN總線控制器SJA1000和CAN總線驅動器POA82C250組成的CAN總線智能節(jié)點的設計方案，給出了該節(jié)點的硬件結構和軟件設計方法，同時介紹了CAN總線的主要特點。

　　關鍵詞：CAN總線；ADμC812；數(shù)據(jù)采集卡

１　引言

　?。茫粒危ǎ茫铮睿簦颍铮欤欤澹?Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）總線協(xié)議最初是以研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國ＢＯＳＣＨ公司開發(fā)的，它是一種支持分布式實時控制系統(tǒng)的串行通信局域網(wǎng)。目前，ＣＡＮ總線以其高性能、高可靠性、實時性等優(yōu)點，而被廣泛應用于控制系統(tǒng)中的檢測和執(zhí)行機構之間的數(shù)據(jù)通信中。ＣＡＮ總線具有以下一些技術特性：

　　●多主方式工作，采用非破壞性的基于優(yōu)先權的總線仲裁技術；

　　●借助接收濾波可實現(xiàn)多地址的幀傳送；

　　●數(shù)據(jù)采用短幀結構，抗干擾性強，數(shù)據(jù)幀的信息ＣＲＣ校驗及其它錯誤檢測措施完善；

　　●發(fā)送期間丟失仲裁或由于出錯而遭破獲的幀可以自動重發(fā)；

　　●嚴重錯誤時可自動關閉總線功能，以使總線其它操作不受影響。

    ＣＡＮ總線符合ＩＳＯ１１８９８標準，最大傳輸速率為１ＭＢ／ｓ時傳輸距離最大為４０ｍ；傳輸速率為５ｋＢ／ｓ時的最大傳輸距離為１０ｋｍ。ＣＡＮ總線的傳輸介質可為雙絞線、同軸電纜等。由于ＣＡＮ總線是一種很有發(fā)展前景的現(xiàn)場總線，因此得到了國際上很多大公司的支持，加之基于ＣＡＮ總線的硬件接口簡單，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、實時性要求高、現(xiàn)場環(huán)境干擾大的場合。

２　系統(tǒng)結構

　　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)不一樣的拓撲結構。其控制系統(tǒng)的構成由計算機和智能節(jié)點組成，圖１所示是其系統(tǒng)結構。該系統(tǒng)最大的特點就是所有的節(jié)點（包括上位ＰＣ機）都能以平等的地位掛接在總線上。一個ＣＡＮ總線節(jié)點通常至少包括三個部分，即負責節(jié)點任務控制的單片機、ＣＡＮ總線控制器以及ＣＡＮ總線收發(fā)器。本文給出的就是一個可完成數(shù)據(jù)采集功能的ＣＡＮ節(jié)點的設計方法。

３　ＣＡＮ節(jié)點的硬件設計

　　本ＣＡＮ節(jié)點的電路原理簡圖如圖２所示。該電路的三個核心器件是單片機ＡＤμＣ８１２１、獨立的ＣＡＮ總線控制器ＳＪＡ１０００和ＣＡＮ總線驅動器ＰＣＡ８２Ｃ２５０。其中ＳＪＡ１０００２和ＰＣＡ８２Ｃ２５０兩者的組合應用已經(jīng)在很多ＣＡＮ總線節(jié)點的設計中用到，而本設計的特點就在于，它是根據(jù)要完成數(shù)據(jù)采集功能這一具體要求來選用微控制器ＡＤμＣ８１２。圖２中的串行接口芯片ＭＡＸ２３２作為ＡＤμＣ８１２與ＰＣ機的串口連接，它的使用是由該單片機的調試特點決定的。

　?。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)品在其內核中集成了帶有片內可重編程非易失性閃速／電擦除程序存儲器的高性能８位（與８０５１兼容）ＭＣＵ和多通道（８個輸入通道）１２位ＡＤＣ。

　　由于ＡＤμＣ８１２只需要通過其串口模塊和計算機的串口進行連接，而不需要額外的仿真器，因而可利用ＡＤＩ公司的ＱＵＩＣＫＳＴＡＲＴ軟件來實現(xiàn)程序的在線下載、在線調試和在線仿真，從而極大地提高了工作效率。這也是本設計使用ＭＡＸ２３２的原因。

　　該系統(tǒng)在工作時，首先將從前面?zhèn)鞲衅魉蛠淼墓I(yè)標準信號（４～２０ｍＡ或１～５Ｖ）通過調理電路變?yōu)椋啊玻担值哪M電壓信號輸入至ＡＤμＣ８１２的Ｐ０．０～Ｐ０．７ （ＡＤ０～ＡＤ７）引腳（根據(jù)實際情況確定所需ＡＤ端口的數(shù)量），然后通過程序控制，再將Ａ／Ｄ轉換所得的數(shù)字信息通過ＳＪＡ１０００和ＰＣＡ８２Ｃ２５０送到ＣＡＮ總線上的相關節(jié)點。

　　ＳＪＡ１０００作為微控制器的片外擴展芯片，其片選引腳ＣＳ應接在微控制器的Ｐ２．０上，以用于決定ＣＡＮ控制器各寄存器的地址。ＳＪＡ１０００通過ＣＡＮ總線驅動器ＰＣＡ８２Ｃ２５０連接在物理總線上。ＰＣＡ８２Ｃ２５０器件可提供對總線的差動發(fā)送能力和對ＣＡＮ控制器的差動接受能力，它同時完全和“ＩＳＯ１１８９８”標準兼容。為進一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，一般在ＣＡＮ總線控制器ＳＪＡ１０００和ＣＡＮ總線驅動器ＰＣＡ８２Ｃ２５０之間加接６Ｎ１３７光電隔離芯片，只不過在圖２中沒有表示出來。由于通信信號傳輸?shù)綄Ь€的端點時會發(fā)生反射，而且反射信號會干擾正常信號的傳輸，因此，總線兩端應接有終端電阻Ｒ１、Ｒ２，以消除反射信號，其阻值應當與傳輸電纜的特性阻抗大致相當。

４?。茫粒喂?jié)點的軟件設計

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

下面分別對這幾個主要部分的程序設計做一介紹。

４．１ Ａ／Ｄ轉換部分

　　筆者在本設計中采用的是單步Ａ／Ｄ轉換模式，并將Ａ／Ｄ轉換結果存入指定的數(shù)據(jù)存儲區(qū)。具體步驟如下：

　　（１）通過設置ＡＤＣ控制寄存器（ＡＤＣＣＯＮ１和ＡＤＣＣＯＮ２）的值來確定Ａ／Ｄ轉換的工作狀態(tài)和采樣通道號；

　　（２）使能ＡＤＣ中斷，置位ＳＣＯＮＶ位以啟動單步Ａ／Ｄ轉換；

　?。ǎ常┑却憫粒模弥袛啵⑦M入中斷服務程序；

　　（４）把采樣所得的數(shù)據(jù)從ＡＤＣＤＡＴＡＬ和ＡＤＣ-ＤＡＴＡＨ兩個特殊寄存器中取出，并存入預設的片內數(shù)據(jù)存儲器中，然后退出中斷服務程序；

　　（５）判斷所需通道是否采樣完畢，如果未完成，則設置采樣通道號并返回步驟（２），若完成則退出Ａ／Ｄ轉換子程序。

　　通過該程序可隨時根據(jù)實際需要更改采樣通道數(shù)，并將采樣結果直接存入指定數(shù)據(jù)存儲區(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

　　ＣＡＮ的通信協(xié)議主要是由ＣＡＮ控制器完成的，因此，要想實現(xiàn)ＣＡＮ節(jié)點的數(shù)據(jù)傳送，對ＣＡＮ控制器的初始化是十分關鍵的。這個步驟直接決定著該ＣＡＮ網(wǎng)絡系統(tǒng)各節(jié)點所共同遵守的協(xié)議。對ＳＪＡ１０００進行初始化實際上就是通過單片機向其片內的各個寄存器寫入控制字的過程，其寄存器包括以下幾個：

　?。遥牛?ＣＯＮＴＲＯＬ—內部控制寄存器地址；

　　ＲＥＧ ＣＯＭＭＡＮＤ—內部命令寄存器地址；

　　ＲＥＧ ＳＴＡＴＵＳ —內部狀態(tài)寄存器地址；

　　ＲＥＧ ＩＮＴＥＲＲＵＰＴ—內部中斷寄存器地址；

　　ＲＥＧ ＡＣＲ—內部驗收代碼寄存器地址；

　　ＲＥＧ ＡＭＲ—內部驗收屏蔽寄存器地址；

　?。遥牛?ＢＴＲ０—總線定時寄存器０；

　?。遥牛?ＢＴＲ１—總線定時寄存器１；

　?。遥牛?ＯＣＲ—輸出控制寄存器。

　　其中：ＢＴＲ０、ＢＴＲ１寄存器的內容可用于決定系統(tǒng)通信的波特率和ＣＡＮ協(xié)議物理層中的同步跳轉寬度，因此，對于一個系統(tǒng)中的所有節(jié)點，這兩個寄存器的內容必須相同（包括上位機），否則將無法進行通信；ＯＣＲ寄存器的內容用于決定ＣＡＮ控制器的輸出方式；而寫入ＡＣＲ、ＡＭＲ寄存器的內容則要根據(jù)實際的網(wǎng)絡系統(tǒng)和報文標志符來決定。本設計中，筆者采用的是ＢａｓｉｃＣＡＮ模式。

　　完成初始化后，ＣＡＮ控制器就能正常運行了，但是要實現(xiàn)具體的數(shù)據(jù)收發(fā)任務，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)送部分的程序設計

　　用ＣＡＮ總線發(fā)送數(shù)據(jù)的流程圖如圖４所示。實際上，在程序運行過程中，常常會在發(fā)送某一幀數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)上一幀的數(shù)據(jù)還沒有完全發(fā)送完畢（可以通過查詢狀態(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：通過指令啟動本次發(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，同時也有利于程序的順利執(zhí)行，從而避免出現(xiàn)錯誤。

　?。ǎ玻┙邮詹糠值某绦蛟O計

　　圖５所示是該系統(tǒng)接收部分的軟件流程圖。

　　實際上，在對響應速度要求不太高的場合，以查詢方式來設計接收子程序是最簡單、最可靠的方式。如果總線上有數(shù)據(jù)發(fā)往本節(jié)點，則通過查詢狀態(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，然后通過軟件將ＲＸＦＩＦＯ中的數(shù)據(jù)逐個“移入”到指定的片內存儲空間即可。對于這樣一個主要以數(shù)據(jù)采集功能為主的ＣＡＮ節(jié)點，這些數(shù)據(jù)多半是由ＣＡＮ網(wǎng)絡中的“控制中心”發(fā)來的控制信號，設計時把它們留給ＡＤμＣ８１２進一步處理就可以了。

　　還應注意的是：在接收查詢過程中，要“觀察”是否有總線關閉、總線出錯、接收緩沖器超載等狀態(tài)，如果有的話，必須要進行相應的“錯誤”處理，否則也不能正常進行數(shù)據(jù)接收，還有一個問題是關于遠程幀的處理。限于篇幅，本文不作介紹。

５　結束語

　　實踐證明：本文所介紹的ＣＡＮ總線智能節(jié)點能夠很好地實現(xiàn)對工業(yè)標準模擬輸出信號的采集以及與ＣＡＮ總線上其它節(jié)點的通信。由于該節(jié)點是基于單片機ＡＤμＣ８１２開發(fā)的，因此它的體積小巧且擴展靈活。筆者相信，基于該單片機的各種總線節(jié)點一定會得到廣泛的應用。