AT90CAN128的開關(guān)量控制單元設(shè)計(jì)

引 言
    CAN(Controller Area NetWork)總線技術(shù)是一種有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制。其硬件連接簡(jiǎn)單，可靠性好，實(shí)時(shí)性和性價(jià)比高，能夠很好地滿足計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性的要求。
    AVR單片機(jī)是由Atmel公司研發(fā)的增強(qiáng)型內(nèi)置Flash的RISC高速8位單片機(jī)。本設(shè)計(jì)使用的是AVR系列新型單片機(jī)AT90CAN128，它自帶CAN控制器，使得通信部分的硬件電路設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化，因此增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性。

1 CAN總線技術(shù)簡(jiǎn)介
    CAN總線是德國Bosch公司20世紀(jì)80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。通信速率可達(dá)1 Mbps。CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等工作。CAN總線具有以下技術(shù)特性：
    ①廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，改為對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)碼可由11位或29位二進(jìn)制數(shù)組成，因此可以定義211或229個(gè)不同的數(shù)據(jù)塊；這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。
    ②數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度最多為8個(gè)字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測(cè)試數(shù)據(jù)的一般要求。同時(shí)，8個(gè)字節(jié)不會(huì)占用總線時(shí)間過長(zhǎng)，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。CAN協(xié)議采用CRC校驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。
    ③CAN采用非破壞總線仲裁技術(shù)。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息出現(xiàn)沖突時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)退出發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)最高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間。即使在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下，也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況。

2 AT90CAN128功能簡(jiǎn)介
2．1 基本特性
    AT90C2AN128微控制器采用具有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)和低功耗的8位單片機(jī)，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令，因此可以達(dá)到接近1 MIPS／MHz的性能。
    AT90CAN128具有以下特點(diǎn)：128 KB的可在系統(tǒng)編程／應(yīng)用編程(ISP／IAP)Flash程序存儲(chǔ)器，4 KB SRAM，32個(gè)通用工作寄存器，53個(gè)通用I／O口，實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器(RTC)，4個(gè)帶有比較模式靈活的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，2個(gè)可編程的USRAT接口，1個(gè)8位面向字節(jié)的TWI(I2C)總線接口，8通道單端或差分輸入的10位ADC(其中1個(gè)差分通道為增益可調(diào)的)，可編程帶內(nèi)部振蕩器的看門狗定時(shí)器，1個(gè)SPI接口，1個(gè)符合2．0A或2．0B的CAN控制器接口，一個(gè)兼容IEEE1149．1標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口(用于在線仿真調(diào)試和程序下載)，6種可通過軟件選擇的節(jié)電模式。
2．2 內(nèi)置CAN控制器
    AT90CAN128內(nèi)置完全符合CAN2．0A和2．0B標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的CAN控制器。采用Mob(消息對(duì)象)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，共有15個(gè)Mob，它們具有相同的屬性：有11位標(biāo)識(shí)符(2．0A協(xié)議)，也可擴(kuò)展至29位(2．0B協(xié)議)；最多為8字節(jié)數(shù)據(jù)緩沖(靜態(tài)分配)；Tx、Rx幀緩沖或自動(dòng)響應(yīng)配置；時(shí)間標(biāo)識(shí)。CAN控制器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    Mob用來設(shè)置幀格式和存放數(shù)據(jù)。Mob的數(shù)目是0～14，它們相互獨(dú)立，但在進(jìn)行總線仲裁時(shí)，低位的Mob會(huì)獲得優(yōu)先權(quán)。每個(gè)Mob都被安置在一個(gè)頁中來保存，頁的序號(hào)即Mob的序號(hào)。

3 控制單元的軟硬件設(shè)計(jì)
3．1 整體結(jié)構(gòu)
    開關(guān)量控制單元與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中其他的控制單元以及上位機(jī)等節(jié)點(diǎn)共同構(gòu)成CAN通信網(wǎng)絡(luò)。每一個(gè)控制單元都有自己獨(dú)立的地址，當(dāng)上位機(jī)發(fā)出指令時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的CAN節(jié)點(diǎn)對(duì)指令中的地址信息進(jìn)行比對(duì)，如果與自己的地址一致則接收數(shù)據(jù)并執(zhí)行相應(yīng)的控制命令。AT90CAN128的CAN控制器接口與TJA1050芯片通過光耦相連組成CAN通信通道，接收上位機(jī)下發(fā)的控制命令，使電子開關(guān)吸合或斷開，即接通或斷開負(fù)載。其A／D轉(zhuǎn)換通道對(duì)負(fù)載電路的電流進(jìn)行采樣，如果電流過載，則單片機(jī)停止輸出周期性脈沖信號(hào)給動(dòng)態(tài)電路，斷開與電源相連的繼電器組，切斷電源供給，以保證系統(tǒng)安全。
    開關(guān)量控制單元的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3．2 硬件設(shè)計(jì)(CAN通信部分)
    AT90CAN128的晶振頻率在5 V時(shí)可以達(dá)到16MHz，其與CAN總線的硬件連接如圖3所示。

    本設(shè)計(jì)中，CAN通信采用AT90CAN128內(nèi)置的CAN控制器與CAN收發(fā)器TJA1050經(jīng)高速光耦6N137相連接。TJA1050速率高，最高可達(dá)1 Mbps，提供總線與電源及地之間的短路保護(hù)。其引腳8(STB)用于選定工作模式，有兩種工作模式可供選擇：高速或待機(jī)。這里，引腳8接地，選擇高速模式，高速模式是TJA1050的正常工作模式。如果引腳接高電平，則TJA1050將進(jìn)入待機(jī)模式，發(fā)送器被關(guān)閉。高速光耦6N137起隔離控制器與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的作用，可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。電路采用獨(dú)立的電源供電，有效地避免了外界電壓變化對(duì)通信的影響。
3．3 軟件設(shè)計(jì)
    CAN總線節(jié)點(diǎn)要有效、實(shí)時(shí)地完成通信任務(wù)，軟件的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。CAN總線節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要包括CAN控制器的初始化、數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送程序。主程序通過調(diào)用函數(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。
3．3．1 CAN初始化
    為了正確地實(shí)現(xiàn)通信，這一部分要對(duì)波特率，標(biāo)識(shí)碼寄存器CANIDT、標(biāo)識(shí)碼屏蔽寄存器CANIDM，發(fā)送與接收Mob的頁號(hào)，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、中斷開啟、Mob使能等內(nèi)容作出設(shè)置。本設(shè)計(jì)采用CAN2．0A協(xié)議，即標(biāo)識(shí)符為11位。將標(biāo)識(shí)碼寄存器CANIDT1設(shè)置為開關(guān)量控制單元的地址Addr，其余的標(biāo)識(shí)碼寄存器設(shè)置為0。該地址只使用一個(gè)8位寄存器，因此標(biāo)識(shí)碼屏蔽寄存器只需設(shè)置CANIDM1為0xFF，其余的標(biāo)識(shí)碼屏蔽寄存器設(shè)置為0。

    由4個(gè)標(biāo)識(shí)碼寄存器CANIDT、標(biāo)識(shí)碼屏蔽寄存器CANIDM組成驗(yàn)收濾波器，信息只有通過它的驗(yàn)收濾波才能被接收。所有驗(yàn)收屏蔽寄存器為0的位，驗(yàn)收碼寄存器和CAN信息幀對(duì)應(yīng)位必須相同才能驗(yàn)收通過；而所有驗(yàn)收屏蔽寄存器為1的位，驗(yàn)收碼寄存器對(duì)應(yīng)位的驗(yàn)收濾波功能則被屏蔽。本例中只接收ID為Addr的信息。
3．3．2 發(fā)送子程序
    發(fā)送時(shí)只需將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按特定格式送入發(fā)送緩存區(qū)中，然后啟動(dòng)發(fā)送即可。

3．3．3 接收子程序
    消息的接收采用中斷方式實(shí)現(xiàn)。首先要關(guān)閉接收中斷，然后設(shè)置CANPAGE寄存器來指定接收的頁數(shù)，隨后由CANCDMob寄存器來控制接收動(dòng)作。當(dāng)有消息到達(dá)時(shí)，將觸發(fā)CANSTMob寄存器中的RXOK中斷，消息中的數(shù)據(jù)將被裝載到CANMSG寄存器中。

結(jié) 語
    本文詳細(xì)介紹了以AT90CAN128微控制器為核心的開關(guān)量控制單元的主要軟硬件設(shè)計(jì)。與目前同類型的單片機(jī)相比較，AT90CAN128由于內(nèi)置CAN控制器，因而可大大降低設(shè)備成本，簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)，提高通信效率、安全性以及可靠性。實(shí)踐證明，開關(guān)量控制單元在計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)中運(yùn)行穩(wěn)定，能夠很好地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。