基于C8051F020型單片機和CAN控制器實現(xiàn)深海測控系統(tǒng)的設計

1、 引言

為了開發(fā)海洋資源，人類必須首先了解海底環(huán)境。然而，海底環(huán)境十分復雜，對海底探測的要求很高，深海環(huán)境下需要采集的參數(shù)比較多，包括深度、溫度、鹽度、PH值、溶解氧及各種化學元素等。

深海測控系統(tǒng)工作時需要接收來自甲板控制中心的命令，同時要將采集到的數(shù)據(jù)反送到甲板控制中心，二者之間的最大通信距離大于5km，因此，它們之間的通信要求很高。CAN總線與一般的通信總線相比，它的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。CAN的直接通信距離最遠可達10km（速率在5kb/s以下），報文采用短幀結構，傳輸時間短，受干擾概率低，保證了數(shù)據(jù)出錯率極低。為此，采用CAN總線作為通信方式。

2、 深海測控系統(tǒng)的基本組成

深海測控模塊由二大部分組成：測控子模塊和通信子模塊。測控子模塊的主要功能是根據(jù)甲板控制中心的命令啟動系統(tǒng)并完成參數(shù)提取、轉換、數(shù)據(jù)處理、存儲及發(fā)送等操作。通信子模塊的功能是完成甲板與水下測控系統(tǒng)的通信。

測控子模塊以Cygnal公司的C8051F020型單片機為核心，擴展信號調(diào)理電路及與CAN總線的接口。通信子模塊是Philips公司的SJA1000型CAN控制器。

2.1 測控子模塊

深海測控子模塊由微控制器系統(tǒng)和I/O系統(tǒng)組成。

微控制器是Cygnal公司的C8051F020型單片機。C8051F020采用CIP-51型微控制器內(nèi)核及流水線指令結構，70%的指令執(zhí)行時間為1個或2個系統(tǒng)時鐘周期，峰值速度達到25MI/s，能滿足深海環(huán)境下多路數(shù)據(jù)的快速采集與分析。C8051F020型單片機內(nèi)部集成1個12位8通道帶可編程增益放大器的A/D轉換器和1個8位8通道A/D轉換器，能滿足深海多路環(huán)境參數(shù)采集;2路12位電壓輸出D/A轉換器;16位可編程定時/計數(shù)器陣列PCA可用于輸出PWM以控制步進電機的運轉;64個耐5V電壓的通用I/O口可控制開關器件的啟動和停止。

微控制器系統(tǒng)還包括了單片機的一些基本外圍電路。系統(tǒng)還開展了1片容量達64Mbyte的串行Flash存儲器，用以保存采集到的數(shù)據(jù)，以避免CAN通信不暢時造成數(shù)據(jù)丟失。使用時只要微控制器外接相應的傳感器、繼電器、電機等就可以完成各種環(huán)境下參數(shù)的采集及相應的控制

2.2 通信子模塊

SJA1000是PHILIPS公司推出的一款獨立的CAN控制器，主要用于移動目標和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡控制。它是PCA82C200型CAN控制器（BasicCAN）的替代產(chǎn)品，而且增加了一種新的操作模式——PeliCAN，這種模式支持具有很多新特征的CAN2.0B協(xié)議。

SJA1000的基本特征如下：

·引腳與PCA2C200型CAN控制器兼容。

·有擴展的接收緩沖器（64字節(jié)，先進先出FIFO）。

·支持CAN2.0A和CAN2.0B協(xié)議。

·支持11位和29位標識碼。

·通信位速率可達1Mb/s。

·可與不同的微處理器接口。

·可編程的CAN輸出驅動器配置。

SJA1000的引腳排列如圖1所示，主要引腳的功能如下所述。

AD7-AD0：地址數(shù)據(jù)復用線。

ALE/AS：ALE輸入信號（Intel模式）或AS輸入信號（Motorola模式）。

CS：片選信號，低電平允許訪問SJA1000。

RD/E：來自微控制器的RD信號（Intel模式）或E使能信號（Motorola模式）。

WR：來自微控制器的WR信號（Intel模式）或RD/WR使能信號（Motorola模式）。

CLKOUT：SJA1000產(chǎn)生用于微控制器的時鐘輸出信號;時鐘信號由內(nèi)置晶體振蕩器通過可編程除法器產(chǎn)生;時鐘除法寄存器中的時鐘停止位能使該引腳無效。

VDD1和VSS1：邏輯電路5V電源和邏輯電路地。

XTAL：晶體振蕩器放大器輸入，外部晶體振蕩器信號由該腳輸入。

XTAL2：晶體振蕩器放大器輸出，當使用外部晶體振蕩器信號時，該輸出引腳必須開路。

VDD3和VSS3：輸出驅動5V電源和輸出驅動地。

TX0和TX1：CAN輸出驅動器0和1輸出到物理總線。

INT：中斷輸出，用于觸發(fā)微控制器中斷;內(nèi)部中斷寄存器的任何位置位，INT將低電平輸出;INT為開環(huán)輸出;該引腳為低電平將電路從睡眠狀態(tài)激活。

RST：復位輸入，用于復位CAN接口（低電平有效）。

VDD2和VSS2：輸入比較器5V電源和輸入比較器地。

RX0和RX1：從物理CAN總線輸入到SJA1000的輸入比較器。

SJA1000與微處理器的接口非常簡單，微處理器以訪問外部存儲器的方式來訪問SJA1000。由于SJA1000的內(nèi)部寄存器分布在連續(xù)的地址內(nèi)，所以完全可以把SJA1000當作外部RAM。在設計接口電路時，SJA1000的片選地址應與其他外部存儲器的片選在邏輯上無沖突。

3 、系統(tǒng)設計

SJA1000型CAN控制器兼容CAN2.0A和CAN2.0B二種規(guī)范。CAN2.0B具有二種不同的幀格式：標準幀和擴展幀，前者為11位標識符，后者為29位標識符。前者的標識符比后者的標識符少2個字節(jié)。深海測控系統(tǒng)的CAN節(jié)點數(shù)量少，只有上位機節(jié)點和水下測控中心節(jié)點，所以即使距離比較遠，對傳輸數(shù)據(jù)速度和可靠性的影響也不是很大。

3.1 單片機與CAN控制器的硬件設計

圖2為C8051F020型單片機與SJA1000型控制器的硬件連接電路原理。SJA1000占用了0x8000-0x80FF的外部RAM空間。當單片機訪問以上空間時片選信號會選中SJA1000。

C8051F020有高低2個外部存儲器接口。因此，SJA1000的AD0-AD7連接到C8051F020的高端口P7口，CS連接到基址為0x8000的外部存儲器片選信號。當C8051F020訪問地址0x8000-0x80FF時，CPU可對SJA1000執(zhí)行相應的讀/寫操作。SJA1000的RD、WR和ALE分別與C8051F020的對應引腳相連，INT接C8051F020的INT0引腳，于是C8051F020可通過中斷方式訪問SJA1000。SJA1000的復位信號RST為低電平有效。C8051F020的AD0-AD7口用于地址/數(shù)據(jù)的輸入/輸出，將其配置為漏極開路方式，利用4.7kΩ上拉電阻器拉至5V。通過設置數(shù)字交叉開關，將C8051F020的外部中斷引腳配置到P2.7口。

CAN能夠使用多種物理介質(zhì)，例如雙絞線和光纖等。該設計方案采用雙絞線。信號以差分電壓傳送，2條信號線為CAN_H和CAN_L，靜態(tài)時為2.5V，此時狀態(tài)表示邏輯“1”，也叫做“隱性”。CAN_H比CAN_L高，表示邏輯“0”，稱為“顯性”，此時CAN_H=3.5V，CAN_L=1.5V。TJA1050型CAN總線收發(fā)器是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，CAN總線上二端節(jié)點須加60Ω電阻器和47nF電容器將信號吸收，以避免信號反射。為了增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，SJA1000的TX1與RX1通過6N137型高速光耦后與TJA1050相連。這樣就很好地實現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點間的電氣隔離。其中，光耦部分電路的2個電源VCC和V_CAN必須完全隔離，否則采用光耦就是失去了意義。電源的完全隔離可采用小功率電源隔離模塊和通過帶多個5V隔離輸出的開關電源模塊實現(xiàn)。

3.2 軟件設計

通信協(xié)議采用“ID+命令+數(shù)據(jù)+校驗”的形式，其中ID為網(wǎng)絡設備的標識符，采用ID.18-ID.20。標識符ID.21-ID.28作為固定命令，不參與驗收濾波。數(shù)據(jù)表示通信的具體內(nèi)容。校驗為1個字節(jié)，采用校驗和的形式，由于CAN總線本身具有15位CRC校驗，并且該系統(tǒng)節(jié)點數(shù)少，競爭不會很激烈，通信可靠性比較高。

軟件設計思想為系統(tǒng)上電后C8051F020先對自身和SJA1000進行初始化以確定工作主頻、波特率和輸出特性等，然后接收來自甲板上位機的控制命令，同時將獲取的采樣參數(shù)通過SJA1000傳送到CAN總線上或備份到Flash存儲器中;對SJA1000的初始化設計是重點，也是難點，必須對寫入每個寄存器的內(nèi)容進行仔細和全面考慮，否則系統(tǒng)將無法正常運行。可設上位機SJA1000適配卡的ACR為xx20，AMR為FF00。水下測控中心SJA1000的ACR為xx40，AMR為FF00。

遵循上述思路，筆者采用C51編寫了應用軟件，下面是部分程序清單。

初始化部分：

void CAN_Init（void）

｛ CANMODE=0x09;//進入復位模式，單向驗收濾波，對SJA1000初始化

CANCDR=0x88; //選擇PeilCAN模式

CANIER=0x1A; //開放接收中斷、超載中

由于深海測控系統(tǒng)對通信的實時性要求很高，一旦接收到甲板上傳來的控制命令就必須及時響應，為此從CAN總線上接收信息采用中斷方式。即SJA1000無錯地接收到消息后使INT變?yōu)榈碗娖?，下降沿觸發(fā)C8051F020的外部中斷0，使其進入中斷服務程序。其流程如圖3所所示。

如果要向CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)，則必須將符合PeilCAN幀格式的一組數(shù)據(jù)寫入SJA1000的發(fā)送緩沖區(qū)，然后調(diào)用發(fā)送子函數(shù)。這里采用查詢方式來實現(xiàn)發(fā)送。流程如圖4所示。

4、 結束語

基于SJA1000型CAN控制器的深海測控系統(tǒng)基本上滿足了功耗低、體積小、重量輕、易擴展的要求，同時與甲板上位機之間的通信可靠，完全能滿足深海探測的需要，并能廣泛應用于海洋油、氣田作業(yè)，海洋污染監(jiān)控和防治，海上漁業(yè)生產(chǎn)等，前景廣闊。

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