SJA1000型CAN控制器在深海測控中的應用

摘要：討論以PHILIPS公司的SJA1000型控制器為核心、基于CAN總線的深海測控系統(tǒng)的設計過程，圍繞C8051F020型單片機與SJA1000型控制器詳細闡述測控系統(tǒng)的性能要求、組成、硬件連接和軟件設計。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低和可靠性等優(yōu)點。
關鍵詞：SJA1000；控制器；深海；測控；應用

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(jié)構(gòu)，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，筆者采用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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)換器和1個8位8通道A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)；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(qū)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(qū)動5V電源和輸出驅(qū)動地。
    TX0和TX1：CAN輸出驅(qū)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。

      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?？稍O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)。這里筆者采用查詢方式來實現(xiàn)發(fā)送。流程如圖4所示。  

4  結(jié)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。