基于C8051F020單片機(jī)和SJA1000控制器實(shí)現(xiàn)深海測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、引言

為了開(kāi)發(fā)海洋資源，人類(lèi)必須首先了解海底環(huán)境。然而，海底環(huán)境十分復(fù)雜，對(duì)海底探測(cè)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(xué)元素等。

深海測(cè)控系統(tǒng)工作時(shí)需要接收來(lái)自甲板控制中心的命令，同時(shí)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(shí)時(shí)性和靈活性。CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（速率在5kb/s以下），報(bào)文采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低。為此，采用CAN總線作為通信方式。

2、深海測(cè)控系統(tǒng)的基本組成

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

測(cè)控子模塊以Cygnal公司的C8051F020型單片機(jī)為核心，擴(kuò)展信號(hào)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(cè)控子模塊

深海測(cè)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(jī)。C8051F020采用CIP－51型微控制器內(nèi)核及流水線指令結(jié)構(gòu)，70％的指令執(zhí)行時(shí)間為1個(gè)或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，峰值速度達(dá)到25MI/s，能滿(mǎn)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(jī)內(nèi)部集成1個(gè)12位8通道帶可編程增益放大器的A/D轉(zhuǎn)換器和1個(gè)8位8通道A/D轉(zhuǎn)換器，能滿(mǎn)足深海多路環(huán)境參數(shù)采集；2路12位電壓輸出D/A轉(zhuǎn)換器；16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器陣列PCA可用于輸出PWM以控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)；64個(gè)耐5V電壓的通用I/O口可控制開(kāi)關(guān)器件的啟動(dòng)和停止。

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

2.2 通信子模塊

SJA1000是PHILIPS公司推出的一款獨(dú)立的CAN控制器，主要用于移動(dòng)目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)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(kuò)展的接收緩沖器（64字節(jié)，先進(jìn)先出FIFO）。

·支持CAN2.0A和CAN2.0B協(xié)議。

·支持11位和29位標(biāo)識(shí)碼。

·通信位速率可達(dá)1Mb/s。

·可與不同的微處理器接口。

·可編程的CAN輸出驅(qū)動(dòng)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(fù)用線。

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

CS：片選信號(hào)，低電平允許訪問(wèn)SJA1000。

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

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

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

XTAL2：晶體振蕩器放大器輸出，當(dāng)使用外部晶體振蕩器信號(hào)時(shí)，該輸出引腳必須開(kāi)路。

VDD3和VSS3：輸出驅(qū)動(dòng)5V電源和輸出驅(qū)動(dòng)地。

TX0和TX1：CAN輸出驅(qū)動(dòng)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(kāi)環(huán)輸出；該引腳為低電平將電路從睡眠狀態(tài)激活。

RST：復(fù)位輸入，用于復(fù)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(jiǎn)單，微處理器以訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器的方式來(lái)訪問(wèn)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(dāng)作外部RAM。在設(shè)計(jì)接口電路時(shí)，SJA1000的片選地址應(yīng)與其他外部存儲(chǔ)器的片選在邏輯上無(wú)沖突。

3、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀，前者為11位標(biāo)識(shí)符，后者為29位標(biāo)識(shí)符。前者的標(biāo)識(shí)符比后者的標(biāo)識(shí)符少2個(gè)字節(jié)。深海測(cè)控系統(tǒng)的CAN節(jié)點(diǎn)數(shù)量少，只有上位機(jī)節(jié)點(diǎn)和水下測(cè)控中心節(jié)點(diǎn)，所以即使距離比較遠(yuǎn)，對(duì)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(jī)與CAN控制器的硬件設(shè)計(jì)

圖2為C8051F020型單片機(jī)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(dāng)單片機(jī)訪問(wèn)以上空間時(shí)片選信號(hào)會(huì)選中SJA1000。

C8051F020有高低2個(gè)外部存儲(chǔ)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(chǔ)器片選信號(hào)。當(dāng)C8051F020訪問(wèn)地址0x8000－0x80FF時(shí)，CPU可對(duì)SJA1000執(zhí)行相應(yīng)的讀/寫(xiě)操作。SJA1000的RD、WR和ALE分別與C8051F020的對(duì)應(yīng)引腳相連，INT接C8051F020的INT0引腳，于是C8051F020可通過(guò)中斷方式訪問(wèn)SJA1000。SJA1000的復(fù)位信號(hào)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(kāi)路方式，利用4.7kΩ上拉電阻器拉至5V。通過(guò)設(shè)置數(shù)字交叉開(kāi)關(guān)，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(shè)計(jì)方案采用雙絞線。信號(hào)以差分電壓傳送，2條信號(hào)線為CAN_H和CAN_L，靜態(tài)時(shí)為2.5V，此時(shí)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(chēng)為“顯性”，此時(shí)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(diǎn)須加60Ω電阻器和47nF電容器將信號(hào)吸收，以避免信號(hào)反射。為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，SJA1000的TX1與RX1通過(guò)6N137型高速光耦后與TJA1050相連。這樣就很好地實(shí)現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。其中，光耦部分電路的2個(gè)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(guò)帶多個(gè)5V隔離輸出的開(kāi)關(guān)電源模塊實(shí)現(xiàn)。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

通信協(xié)議采用“ID＋命令＋數(shù)據(jù)＋校驗(yàn)”的形式，其中ID為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的標(biāo)識(shí)符，采用ID.18－ID.20。標(biāo)識(shí)符ID.21－ID.28作為固定命令，不參與驗(yàn)收濾波。數(shù)據(jù)表示通信的具體內(nèi)容。校驗(yàn)為1個(gè)字節(jié)，采用校驗(yàn)和的形式，由于CAN總線本身具有15位CRC校驗(yàn)，并且該系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)少，競(jìng)爭(zhēng)不會(huì)很激烈，通信可靠性比較高。

軟件設(shè)計(jì)思想為系統(tǒng)上電后C8051F020先對(duì)自身和SJA1000進(jìn)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(lái)自甲板上位機(jī)的控制命令，同時(shí)將獲取的采樣參數(shù)通過(guò)SJA1000傳送到CAN總線上或備份到Flash存儲(chǔ)器中；對(duì)SJA1000的初始化設(shè)計(jì)是重點(diǎn)，也是難點(diǎn)，必須對(duì)寫(xiě)入每個(gè)寄存器的內(nèi)容進(jìn)行仔細(xì)和全面考慮，否則系統(tǒng)將無(wú)法正常運(yùn)行。可設(shè)上位機(jī)SJA1000適配卡的ACR為xx20，AMR為FF00。水下測(cè)控中心SJA1000的ACR為xx40，AMR為FF00。

遵循上述思路，采用C51編寫(xiě)了應(yīng)用軟件，下面是部分程序清單。

初始化部分：

void CAN_Init（void）

{ CANMODE=0x09；//進(jìn)入復(fù)位模式，單向驗(yàn)收濾波，對(duì)SJA1000初始化

CANCDR=0x88； //選擇PeilCAN模式

CANIER=0x1A； //開(kāi)放接收中斷、超載中

由于深海測(cè)控系統(tǒng)對(duì)通信的實(shí)時(shí)性要求很高，一旦接收到甲板上傳來(lái)的控制命令就必須及時(shí)響應(yīng)，為此從CAN總線上接收信息采用中斷方式。即SJA1000無(wú)錯(cuò)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(jìn)入中斷服務(wù)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(xiě)入SJA1000的發(fā)送緩沖區(qū)，然后調(diào)用發(fā)送子函數(shù)。這里筆者采用查詢(xún)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)送。流程如圖4所示。

4、結(jié)束語(yǔ)

基于SJA1000型CAN控制器的深海測(cè)控系統(tǒng)基本上滿(mǎn)足了功耗低、體積小、重量輕、易擴(kuò)展的要求，同時(shí)與甲板上位機(jī)之間的通信可靠，完全能滿(mǎn)足深海探測(cè)的需要，并能廣泛應(yīng)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。

責(zé)任編輯：gt