基于ADμC812的CAN總線智能節(jié)點的設(shè)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(qū)動器POA82C250組成的CAN總線智能節(jié)點的設(shè)計方案，給出了該節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計方法，同時介紹了CAN總線的主要特點。

１　引言

ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ 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(yīng)用于控制系統(tǒng)中的檢測和執(zhí)行機構(gòu)之間的數(shù)據(jù)通信中。ＣＡＮ總線具有以下一些技術(shù)特性：

●多主方式工作，采用非破壞性的基于優(yōu)先權(quán)的總線仲裁技術(shù)；

●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(jié)構(gòu)，抗干擾性強，數(shù)據(jù)幀男畔ⅲ茫遙瞇Ｑ榧捌淥?砦蠹觳獯朧┩晟疲?/P>

●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(guān)閉總線功能，以使總線其它操作不受影響。

    ＣＡＮ總線符合ＩＳＯ１１８９８標(biāo)準(zhǔn)，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(zhì)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(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)。其控制系統(tǒng)的構(gòu)成由計算機和智能節(jié)點組成，圖１所示是其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。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(zé)節(jié)點任務(wù)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(shè)計方法。

３　ＣＡＮ節(jié)點的硬件設(shè)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(qū)動器ＰＣＡ８２Ｃ２５０。其中ＳＪＡ１０００?２?和ＰＣＡ８２Ｃ２５０兩者的組合應(yīng)用已經(jīng)在很多ＣＡＮ總線節(jié)點的設(shè)計中用到，而本設(shè)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(diào)試特點決定的。

ＡＤμＣ８１２是高度集成、高精度１２位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該產(chǎn)品在其內(nèi)核中集成了帶有片內(nèi)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(diào)試和在線仿真，從而極大地提高了工作效率。這也是本設(shè)計使用ＭＡＸ２３２的原因。

該系統(tǒng)在工作時，首先將從前面傳感器送來的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號（４～２０ｍＡ或１～５Ｖ）通過調(diào)理電路變?yōu)椋啊玻担值?a href="http://www.ttokpm.com/analog/" target="_blank">模擬電壓信號輸入至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(zhuǎn)換所得的數(shù)字信息通過ＳＪＡ１０００和ＰＣＡ８２Ｃ２５０送到ＣＡＮ總線上的相關(guān)節(jié)點。

ＳＪＡ１０００作為微控制器的片外擴展芯片，其片選引腳ＣＳ應(yīng)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(qū)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(biāo)準(zhǔn)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(qū)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?dǎo)線的端點時會發(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(yīng)接有終端電阻Ｒ１、Ｒ２，以消除反射信號，其阻值應(yīng)當(dāng)與傳輸電纜的特性阻抗大致相當(dāng)。

４　ＣＡＮ節(jié)點的軟件設(shè)計

本節(jié)點的軟件編程主要包括Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)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(shè)計做一介紹。

４．１ Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換部分

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

（１）通過設(shè)置ＡＤＣ控制寄存器（ＡＤＣＣＯＮ１和ＡＤＣＣＯＮ２）的值來確定Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換；

（３）等待響應(yīng)ＡＤＣ中斷，并進入中斷服務(wù)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(yù)設(shè)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器中，然后退出中斷服務(wù)程序；

（５）判斷所需通道是否采樣完畢，如果未完成，則設(shè)置采樣通道號并返回步驟（２），若完成則退出Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)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(jié)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(guān)鍵的。這個步驟直接決定著該ＣＡＮ網(wǎng)絡(luò)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(nèi)的各個寄存器寫入控制字的過程，其寄存器包括以下幾個：

ＲＥＧ ＣＯＮＴＲＯＬ—內(nèi)部控制寄存器地址；

ＲＥＧ ＣＯＭＭＡＮＤ—內(nèi)部命令寄存器地址；

ＲＥＧ ＳＴＡＴＵＳ —內(nèi)部狀態(tài)寄存器地址；

ＲＥＧ ＩＮＴＥＲＲＵＰＴ—內(nèi)部中斷寄存器地址；

ＲＥＧ ＡＣＲ—內(nèi)部驗收代碼寄存器地址；

ＲＥＧ ＡＭＲ—內(nèi)部驗收屏蔽寄存器地址；

ＲＥＧ ＢＴＲ０—總線定時寄存器０；

ＲＥＧ ＢＴＲ１—總線定時寄存器１；

ＲＥＧ ＯＣＲ—輸出控制寄存器。

其中：ＢＴＲ０、ＢＴＲ１寄存器的內(nèi)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(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)容用于決定ＣＡＮ控制器的輸出方式；而寫入ＡＣＲ、ＡＭＲ寄存器的內(nèi)容則要根據(jù)實際的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和報文標(biāo)志符來決定。本設(shè)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(wù)，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

（１）發(fā)送部分的程序設(shè)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。

（２）接收部分的程序設(shè)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(yīng)速度要求不太高的場合，以查詢方式來設(shè)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(nèi)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(luò)中的“控制中心”發(fā)來的控制信號，設(shè)計時把它們留給ＡＤμＣ８１２進一步處理就可以了。

還應(yīng)注意的是：在接收查詢過程中，要“觀察”是否有總線關(guān)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(yīng)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(guān)于遠程幀的處理。限于篇幅，本文不作介紹。

５　結(jié)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用。