由單片機(jī)和CAN控制器MCP2510實現(xiàn)CAN總線系統(tǒng)智能節(jié)點的設(shè)計

CAN（Controller Area Network）總線，即控制器局域網(wǎng)。由于具有高性能、高可靠性以及獨特的設(shè)計，CAN總線越來越受到人們的重視。德國的Bosch公司最初為汽車監(jiān)控和控制系統(tǒng)設(shè)計了CAN總線，現(xiàn)在，其應(yīng)用已面向過程工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、紡織工業(yè)、農(nóng)用機(jī)械、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械及傳感器等領(lǐng)域發(fā)展。CAN總線已經(jīng)形成國際標(biāo)準(zhǔn)，并已經(jīng)公認(rèn)為是最有前途的現(xiàn)場總線之一。CAN總線規(guī)范已經(jīng)被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制訂為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898，并得到眾多半導(dǎo)體器件廠商的支持，推出各種集成有CAN協(xié)議的產(chǎn)品。CAN總線系統(tǒng)智能節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)上報文的接收和發(fā)送站，一般由單片機(jī)和CAN控制器或二者合二為一組成。

MCP25l0是Microchip公司生產(chǎn)的一種獨立的可編程CAN控制器芯片。本文將介紹新型的獨立CAN通信控制器MCP2510，并給出其在CAN總線系統(tǒng)智能節(jié)點中的應(yīng)用實例。

1 MCP2510芯片介紹

MCP25lO是一種帶有SPI接口的CAN控制器，DIP封裝如圖1所示。它支持CAN技術(shù)規(guī)范V2.OA／B，能夠發(fā)送或接收標(biāo)準(zhǔn)的和擴(kuò)展的信息幀，同時具有接收濾波和信息管理的功能。MCP2510通過SI接口與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)5 Mbps，MCU可通過MCP2510與CAN總線上的其他MCU單元通信。MCP2510內(nèi)含3個發(fā)送緩沖器和2個接收緩沖器，同時還具有靈活的中斷管理能力，這些特點使得MCU對CAN總線的操作變得非常簡便。

1.1 MCP2510的主要特點

◇支持CANV2.0A／B；

◇具有SPI接口，支持SPI模式0，0和1，1；

◇內(nèi)含3個發(fā)送緩沖器和2個接收緩沖器，可對其優(yōu)先權(quán)進(jìn)行編程；

◇具有6個接收過濾器，2個接收過濾器屏蔽；

◇具有靈活的中斷管理能力；

◇采用低功耗CMOS工藝技術(shù)，其工作電壓范圍為3.0～5.5 V，有效電流為5 mA，維持電流為10μA；

◇工作溫度范圍為-40～十125℃。

1.2 結(jié)構(gòu)及工作原理

MCP2510有PDIP、SOIC和TSSOP三種封裝形式。圖2是MCP2510的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。CAN協(xié)議機(jī)負(fù)責(zé)與CAN總線的接口，SPI接口邏輯用于實現(xiàn)同MCU的通信，而寄存、緩沖器組與控制邏輯則用來完成各種方式的設(shè)定和操作控制?，F(xiàn)結(jié)合其工作過程將各部分的功能、原理作一介紹。

（1） 收發(fā)操作

MCP251O的發(fā)送操作通過3個發(fā)送緩沖器來實現(xiàn)。這3個發(fā)送緩沖器各占據(jù)14字節(jié)的SRAM。第1字節(jié)是控制寄存器TXBNCTRL，該寄存器用來設(shè)定信息發(fā)送的條件，且給出了信息的發(fā)送狀態(tài)；第2～6字節(jié)用來存放標(biāo)準(zhǔn)的和擴(kuò)展的標(biāo)識符以及仲裁信息；最后8字節(jié)則用來存放待發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。在進(jìn)行發(fā)送前，必須先對這些寄存器進(jìn)行初始化。

（2） 中斷管理

MCP25lO有8個中斷源，包括發(fā)送中斷、接收中斷、錯誤中斷及總線喚醒中斷等。利用中斷使能寄存器（CANINTE）和中斷屏蔽寄存器（CANINTF）可以方便地實現(xiàn)對各種中斷的有效管理。當(dāng)有中斷發(fā)生時，INT引腳變?yōu)榈碗娖讲⒈３衷诘碗娖?，直到MCU清除中斷為止。

（3） 錯誤檢測

CAN協(xié)議具有CRCF錯誤、應(yīng)答錯誤、形式錯誤、位錯誤和填充錯誤等檢測功能。MCP2510內(nèi)含接收出錯計數(shù)器（REC）和發(fā)送出錯計數(shù)器（TEC）兩個錯誤計數(shù)器。因而對網(wǎng)絡(luò)中的任何一個節(jié)點來說，都有可能因為錯誤汁數(shù)器的數(shù)值不同而使其處于錯誤一激活、錯誤一認(rèn)可和總線-脫離3種狀態(tài)之一。

2 MCP2510在智能節(jié)點中的應(yīng)用實例

利用MCP2510和CAN總線收發(fā)器TJA1050可構(gòu)成一個CAN總線分布式測控網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)可包括一個主控制器和多個節(jié)點控制器，這種節(jié)點控制器可對電動機(jī)的電流、電壓及周圍的溫度進(jìn)行監(jiān)控，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用了總線式結(jié)構(gòu)和無源抽頭連接，且結(jié)構(gòu)簡單、成本低，因而系統(tǒng)的可靠性較高。其信息傳輸采用CAN通信協(xié)議，通信介質(zhì)采用雙絞線。由于CAN總線是基于發(fā)送報文的編碼，不對CAN控制節(jié)點進(jìn)行編碼，故系統(tǒng)的可擴(kuò)充性比較好，同時增刪CAN總線上的控制節(jié)點不會對系統(tǒng)的其余節(jié)點造成任何影響。

節(jié)點控制器的MCU可選用具有SPI接口的微處理器，也可采用不帶SPI接口的微處理器。本系統(tǒng)采用的是不帶SPI接口的微處理器AT89C51。AT89C51可通過P1口與CAN控制器的SPI接口直接相連，并用軟件算法來實現(xiàn)SPI接口協(xié)議。CAN總線收發(fā)器TJA1050則作為MCP25l0與物理總線的接口。如果需要進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，則可在MCP2510和TJAl050之間再加一個光電隔離器。

智能節(jié)點電路原理圖如圖4所示。

2.1 軟件設(shè)計

MCP2510正常工作之前，需要進(jìn)行正確的初始化，包括設(shè)置SPI接口的數(shù)據(jù)傳輸速率、CAN通信的波特率、MCP2510的接收過濾器和屏蔽器以及發(fā)送和接收中斷允許標(biāo)志位等。與SJA1000不同的是，單片機(jī)對MCP2510的接收緩沖器和發(fā)送緩沖器的操作，必須通過SPI接口用MCP2510內(nèi)置讀寫命令來完成。其讀、寫命令時序圖如圖5和圖6所示。

本文中MCP2510主要采取中斷模式進(jìn)行總線數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。整個系統(tǒng)主序提供兩種中斷：定時器中斷和外部中斷。定時器中斷的中斷子程序主要負(fù)責(zé)處理來自模擬通道AIN0～AIN7的A／D數(shù)據(jù)，向MCP2510發(fā)送“數(shù)據(jù)發(fā)送請求命令”以及發(fā)送數(shù)據(jù)。外部中斷的中斷處理子程序主要包括CAN總線錯誤處理子程序和數(shù)據(jù)接收子程序。

2.2 軟件主體設(shè)計流程

軟件主體設(shè)計流程如圖7所示。軟件設(shè)計時需要注意以下問題：

①因為MCP2510在初始化完成后處于默認(rèn)Config-uration模式下，所以就需要在MCP2510的初始化完后將其置為Normal模式，否則MCP2510將一直停留在Configuration模式下，不能正常進(jìn)行工作。將MCP2510置Normal模式可通過使用MCP2510內(nèi)置的BitModify（位修改）4指令向CANCTRL控制字寫入一個0字節(jié)來實現(xiàn)。

②在對MCP2510進(jìn)行任何操作之前，都要由微處理器向MCP2510的片選CS輸出一個低電平，使得MCP2510選通。

③在執(zhí)行MCP2510的“讀”操作時，發(fā)送完讀指令及其地址碼之后，仍然需要向MCP2510提供時鐘，以接收“讀”到的數(shù)據(jù)。可以通過向MCP2510發(fā)送一個0字節(jié)來實現(xiàn)。

④在對MCP2510完成任意操作后，都要延時一段時間，使其有足夠的時間來準(zhǔn)備接收下次操作的命令，防止出現(xiàn)MCP2510“忙”的情況。

3 總 結(jié)

CAN總線已被公認(rèn)為是最有前途的幾種現(xiàn)場總線之一。因其性價比高、實現(xiàn)簡單等突出優(yōu)點深受越來越多的研發(fā)人員的青睞。本文的智能節(jié)點可聯(lián)結(jié)多個集散控制系統(tǒng)，其軟硬件電路的設(shè)計方法同樣適合于其他基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)的節(jié)點設(shè)汁。