單片機(jī)在CAN總線智能節(jié)點(diǎn)中的應(yīng)用

1 Can總線概述

CAN, 全稱(chēng)為“Controller Area Network”，是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。20世紀(jì)80年代初，德國(guó)Bosch公司為了解決現(xiàn)代汽車(chē)中眾多的控制與測(cè)試儀表之間的數(shù)據(jù)交換問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出 CAN總線。CAN總線能有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，具有抗干擾性強(qiáng)和使用可靠等優(yōu)點(diǎn)，最初主要應(yīng)用汽車(chē)工業(yè)，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)、航空工業(yè)和工業(yè)控制等自動(dòng)化領(lǐng)域，如分布式環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、變電站變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。

CAN總線是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，其通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對(duì)數(shù)據(jù)的成幀處理，用戶(hù)可在其基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)適應(yīng)系統(tǒng)實(shí)際需要的應(yīng)用層通信協(xié)議。CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊編碼，采用這種方法可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，還可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)收到相同的數(shù)據(jù)。

CAN總線提供高速數(shù)據(jù)傳送, 在短距離(40m)條件下具有高速(1Mbit/s)數(shù)據(jù)傳輸能力，而在最大距離10000m時(shí)具有低速(5kbits/s)傳輸能力，極適合在高速的工業(yè)自控應(yīng)用上，CAN總線可在同一網(wǎng)絡(luò)上連接多種不同功能的傳感器(如位置,溫度或壓力等)。

CAN總線的其他特點(diǎn)如下：

(1)它是一種多主總線，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)均可成為主機(jī)，且節(jié)點(diǎn)機(jī)之間也可進(jìn)行通信;

(2)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)1Mbps;

(3)數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度最多為8個(gè)字節(jié)，可滿(mǎn)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(guò)長(zhǎng)，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性;

(4)CAN協(xié)議采用CRC檢驗(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。

CAN可以以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點(diǎn)均可以在任意時(shí)刻主動(dòng)地向總線上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播幾種方式發(fā)送接收數(shù)據(jù);CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線上發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間。

圖1-1為一個(gè)CAN總線應(yīng)用系統(tǒng)，主要有主機(jī)和各節(jié)點(diǎn)組成，主機(jī)和節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)CAN收發(fā)器及CAN控制器相連，單個(gè)節(jié)點(diǎn)包括一個(gè)單片機(jī)控制器、一個(gè)CAN收發(fā)器和一個(gè)CAN控制器。其中一個(gè)典型的應(yīng)用是：主機(jī)接收各節(jié)點(diǎn)發(fā)送的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，如現(xiàn)場(chǎng)溫度、電流或壓力等參數(shù)，主機(jī)經(jīng)過(guò)綜合計(jì)算、判斷作出相應(yīng)的控制命令，這些命令將通過(guò)CAN總線傳送至各節(jié)點(diǎn)。各節(jié)點(diǎn)由單片機(jī)作為控制器，它用于采集現(xiàn)場(chǎng)的各項(xiàng)參數(shù)，并執(zhí)行主機(jī)發(fā)送的各項(xiàng)命令，這些命令將最終傳送至各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如閥門(mén)、電機(jī)或泵等.

圖1-1 CAN總線應(yīng)用系統(tǒng)

本文將介紹基于凌陽(yáng)8位通用型工控單片機(jī)的CAN總線智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。本文將闡述智能節(jié)點(diǎn)中的主控器SPMC65P2404A在本方案中的應(yīng)用特點(diǎn)，及主控器與CAN總線控制器之間的通信。

2 芯片特性簡(jiǎn)介

SPMC65P2404A是凌陽(yáng)推出的8位工業(yè)控制單片機(jī)，最高工作頻率為8MHz，工作電壓3.0V~5.0V，有192字節(jié)的RAM和4K字節(jié)的OTP ROM，具備23個(gè)可編程IO口，內(nèi)置上/下拉電阻，8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器(100KHz)，SPMC65P2404其他特性包括：

◆凌陽(yáng)科技8位單片機(jī)　　　　☉182條指令　　　　☉11種尋址模式　　　　☉支持位操作(Set,Clear,Inverse,Test)

◆2個(gè)8位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(可自動(dòng)預(yù)置初始計(jì)數(shù)值)　　　　☉普通的定時(shí)/計(jì)數(shù)器　　　　☉具有8位捕獲功能　　　　☉具有8位比較功能

◆2個(gè)16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(可自動(dòng)預(yù)置初始計(jì)數(shù)值)　　　　☉普通的定時(shí)/計(jì)數(shù)器　　　　☉具有8或16位捕獲功能　　　　☉具有16位比較功能　　　　☉12位PWM輸出

◆中斷方式　　　　☉支持IRQ和NMI中斷　　　　☉4種外部中斷　　　　☉12種內(nèi)部中斷

◆具有SPI總線：最高通信速率為2Mbps

◆5種復(fù)位功能：上電復(fù)位、低電壓復(fù)位、看門(mén)狗復(fù)位、外部復(fù)位及錯(cuò)誤地址復(fù)位

◆支持3種時(shí)鐘電路：晶體振蕩器、RC振蕩、外部信號(hào)

◆2種低功耗模式：Halt模式和STop模式

◆一個(gè)蜂鳴器驅(qū)動(dòng)輸出口

3 智能節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

在工業(yè)控制中，通常需要進(jìn)行電壓、電流、溫度等信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、可靠傳輸和實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)了PC端對(duì)CAN智能節(jié)點(diǎn)的有效控制。為了達(dá)到工業(yè)控制上這些控制要求，CAN總線上的節(jié)點(diǎn)通常需要有微控器作為節(jié)點(diǎn)的主控器。主控器完成現(xiàn)場(chǎng)各項(xiàng)參數(shù)的采集、響應(yīng)相關(guān)的外部事件、接受外部按鍵命令、產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)、顯示相關(guān)參數(shù)及與CAN總線控制器通信。圖3-1為SPMC65P2404A作為節(jié)點(diǎn)控制器，各個(gè)部件的連接示意圖。

圖 3-1 智能節(jié)點(diǎn)示意圖

數(shù)據(jù)采集部件：

在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)，通常會(huì)有各類(lèi)傳感器，如電流互感器、溫度傳感器、壓力傳感器等，將現(xiàn)場(chǎng)的電流、溫度及壓力等參數(shù)轉(zhuǎn)化為模擬電信號(hào)，這些模擬信號(hào)輸入MCU中的A/D轉(zhuǎn)換器，最終得到可傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)。SPMC65P2404A具有8通道10位精度的A/D轉(zhuǎn)換器，并可以選擇內(nèi)部或外部參考電壓，能夠滿(mǎn)足多通道、高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換。

現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)交互部件：

人機(jī)交互部件可以實(shí)現(xiàn)工作人員在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)某個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行操作控制，人機(jī)交互部件包括鍵盤(pán)、紅外遙控器、LED或LCD顯示。比如，顯示模塊可以實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，工作人員操作鍵盤(pán)或遙控器上的某些按鍵，可以啟動(dòng)電機(jī)或電閥門(mén)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)設(shè)定的效果。SPMC65P2404A具有多組捕獲功能，使用捕獲功能，可以很方便的實(shí)現(xiàn)紅外信號(hào)解碼。

快速響應(yīng)外部突發(fā)事件：

在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)，突發(fā)事件保護(hù)機(jī)制非常重要。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的突發(fā)事件實(shí)行快速響應(yīng)，并做出保護(hù)動(dòng)作將使控制現(xiàn)場(chǎng)更安全。在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，可以使用MCU快速響應(yīng)外部中斷，在MCU的中斷程序中，切斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出。SPMC65P2404A能夠響應(yīng)4個(gè)外部中斷，并且每個(gè)外部中斷可以設(shè)定為非屏蔽中斷或屏蔽中斷。

產(chǎn)生執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)：

工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)會(huì)有多種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如電機(jī)、電閥門(mén)等，正對(duì)各種每種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，MCU會(huì)輸出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以控制這些機(jī)構(gòu)。SPMC65P2404A具有2路12位的PWM輸出能力，有2路比較輸出功能，同時(shí)，每個(gè)I/O口都具備驅(qū)動(dòng)LED的能力。利用SPMC65P2404A的這些功能，并配合相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，就可以有效控制電機(jī)、電閥門(mén)等。

節(jié)點(diǎn)通信連接：

在智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中，需要使用CAN控制器及CAN收發(fā)器，作為主控器與CAN總線之間的連接媒介。本智能節(jié)點(diǎn)使用MCP2510作為CAN控制器和PCA82C250作為CAN收發(fā)器。它們之間的連接是：MCU主控器通過(guò)SPI總線與CAN控制器通信，CAN控制器通過(guò)光電隔離器件與CAN收發(fā)器連接。SPMC65P2404A內(nèi)部集成SPI總線，SPI總線支持全雙工同步傳輸，具有主、從兩種模式，最高通信速率為2Mbps。CAN控制器MCP2510也具備SPI總線。

4 智能節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

智能節(jié)點(diǎn)程序包括主程序和中斷程序兩部分，主程序處理常規(guī)的數(shù)據(jù)采集及控制操作，中斷程序則處理異常事件及紅外信號(hào)解碼。