CAN總線智能采集卡的設(shè)計與實現(xiàn)
0．引言
控制器局域網(wǎng)CAN（Controller Area Network）作為一種多線路網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，以其時分多主、非破壞性總線仲裁和自動檢錯重發(fā)等靈活、可靠的通信技術(shù)，及低廉的價格，被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化生產(chǎn)線、汽車、傳感器、醫(yī)療設(shè)備、智能化大廈、電梯控制、環(huán)境控制等分布式實時系統(tǒng)。本采集卡采用的是一款A(yù)tmel公司新近推出的帶有CAN控制器的微控制器，是一款很有前途的新型芯片，其內(nèi)部集成CAN控制器，用它來組建CAN總線實時監(jiān)控系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的CAN總線組網(wǎng)方式相比，系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計容易、抗干擾性強等應(yīng)用優(yōu)勢。
1．采集卡的功能描述
本采集卡完成的主要功能有:
1） 采集溫箱里的溫度數(shù)據(jù)，并對其進行濾波處理。
2） 監(jiān)視溫度信號的變化情況，實現(xiàn)報警功能。
3） 將采集到的數(shù)據(jù)通過CAN總線傳給上位機及其它節(jié)點。
采集卡帶有8279鍵盤/顯示接口，可通過手工或上位機來設(shè)定各種采集用的參數(shù)。
2．總體組成
智能采集卡主要由單片機系統(tǒng)，8279鍵盤/顯示控制芯片，譯碼驅(qū)動電路，LED，按鍵陣列，溫度傳感器DS18B20,光電隔離以及CAN總線物理接口等組成，其硬件組成原理圖見圖1。
采集卡的總體工作流程如下：
采集卡上電復(fù)位以后，首先根據(jù)默認的參數(shù)初始化CAN總線的各個寄存器及DS18B20，然后對8279及顯示LED的狀態(tài)進行初始化，接著給T0定時器裝載初值及設(shè)置中斷寄存器等。待初始化完成之后，就向主機發(fā)送控制幀，要求主機設(shè)定采樣周期、發(fā)送時間間隔、當前時間、發(fā)送主機地址、本機標識符等參數(shù)。設(shè)定完之后，就根據(jù)不同的狀態(tài)進入到不同的中斷服務(wù)程序中。
數(shù)據(jù)類型根據(jù)傳輸方向可分為上行數(shù)據(jù)（采集卡→主機）和下行數(shù)據(jù)（主機→采集卡）。
上行數(shù)據(jù)主要是采集卡采集到的溫度數(shù)據(jù)。它的處理主要經(jīng)過以下幾個步驟：T89C51CC01對溫度傳感器DS18B20執(zhí)行一個其RAM存儲器操作命令完成一次溫度測量。測量結(jié)果放在DS18B20的暫存器里，然后CPU用一條讀暫存器內(nèi)容的存儲器操作命令將暫存器中數(shù)據(jù)讀出，存放在數(shù)據(jù)存儲區(qū)中。到滿足發(fā)送條件之后，短數(shù)據(jù)直接形成幀送到發(fā)送緩沖區(qū)，超過幀長的數(shù)據(jù)則要經(jīng)過分解，打包后再送入CAN總線控制器發(fā)送緩沖區(qū)。CAN控制器通過CAN物理接口向CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)，總線的所有節(jié)點都偵聽該數(shù)據(jù)，但并非所有節(jié)點都接收此數(shù)據(jù)，只有通過接收濾波的節(jié)點才接收此數(shù)據(jù)。采集卡的數(shù)據(jù)主要是發(fā)送給主機、監(jiān)控節(jié)點和相關(guān)的控制節(jié)點。當采集卡采集到的溫度數(shù)據(jù)超過報警上限、報警下限或變化速率過快的時候，采集卡還通過CAN控制器向主機發(fā)送報警信息。
下行數(shù)據(jù)主要是主機向采集卡發(fā)送的各種控制信息。雖然采集卡可以接收任何節(jié)點的信息，但它主要起的是智能傳感器的作用，所以一般只接收主機來的各種控制信息?？刂菩畔⑼ㄟ^CAN物理接口進入到CAN控制器的接收緩沖器中，采集卡根據(jù)幀類型來區(qū)分不同的控制幀并設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)，并進行相應(yīng)的接收、發(fā)送處理。
3．硬件具體組成描述
1）核心CPU —T89C51CC01
T89C51CC01主要具有以下特性：其片內(nèi)具有8051內(nèi)核，具有1個CAN控制器， 8路模擬量輸入的10位ADC變換器，可在系統(tǒng)編程的32K字節(jié)Flash程序存儲器，2K字節(jié)程序加載Flash程序存儲器，256字節(jié)RAM，1K字節(jié)XRAM和2K字節(jié)E2PROM數(shù)據(jù)存儲器，一個21位看門狗定時器。該微控制器基于高性能的靜態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用先進的CMOS制造工藝，包含5個端口34根雙向I/O線，3個16位定時/計數(shù)器、14個中斷源4級嵌套中斷結(jié)構(gòu)、1個全雙工UART、其提供很寬的操作頻率范圍，支持12時鐘和6時鐘操作。另外，使用者可利用片上Boot加載程序，通過CAN或UART接口對該控制器進行在系統(tǒng)或在應(yīng)用編程。
T89C51CC01的最顯著的一個特點是內(nèi)部集成強大功能的CAN控制器。該控制器支持CAN2.Ａ和CAN 2.B協(xié)議,通過報文對象頁寄存器管理15個獨立的報文對象.每個報文對象可分別編程為發(fā)送、接收或緩沖接收的報文，并可通過標識符寄存器和標識符屏蔽寄存器來設(shè)置11位或29位標識符和標識符屏蔽碼來確定報文對象的優(yōu)先級，以及CAN控制器對該報文對象是否接收或拒絕。其通信的波特率可根據(jù)實際通信距離和需要對位定時寄存器進行設(shè)定，最大波特率可達1Mbps。T89C51CC01的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。其P0口為8位并行I/O口，將P0.0與DS18B20連接, P4.0（TxDC）和P4.1（RxDC）與82C250連接。P3.4（T0）、P3.5（T1）和P1.0（T2）是T89C51CC01內(nèi)部定時器的引腳，P3.2（INT0）和P3.3（INT1）是T89C51CC01的外部中斷引腳、低電平有效。
2）溫度傳感器DS18B20
DS18B20是一個單線式溫度采集數(shù)據(jù)傳輸并直接轉(zhuǎn)換數(shù)字量的溫度傳感器。其特點為：獨特的單線接口僅需一個端口引腳進行雙向通信，多個并聯(lián)可實現(xiàn)多點測溫；可通過數(shù)據(jù)線
供電，電源電壓為3~5.5V；零待機功耗；用戶可自定義的非易失性溫度報警設(shè)置；報警識別命令識別并標志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件；測溫范圍為-55~+125○C。 精度為9~12位（與數(shù)據(jù)位數(shù)的設(shè)定有關(guān)），9位的溫度分辨率為±0.5℃，12位的溫度分辨率為±0.0625○C，缺省為12位；在93.75~750ms內(nèi)將溫度值轉(zhuǎn)化為9~12位的數(shù)字量，典型轉(zhuǎn)換時間為200ms。
DS18B20有3個主要數(shù)字部件：64位激光ROM、溫度傳感器以及非易失性（E2PROM）溫度報警觸發(fā)器TH和TL。操作的順序為：初始化（復(fù)位）、ROM操作命令、暫存器操作命令。通過單總線的所有操作都從一個初始化序列開始。次初始化序列包括一個由總線控制器發(fā)出的復(fù)位脈沖和緊隨其后由從機發(fā)出的存在脈沖。一旦總線控制器探測到一個存在脈沖，它就會發(fā)出5個ROM命令之一。通過RAM操作命令DS18B20完成一次溫度測量。測量結(jié)果放在DS18B20的暫存器里，用一條讀暫存器內(nèi)容的存儲器操作命令可以將暫存器中數(shù)據(jù)讀出。溫度報警觸發(fā)器TH和TL各由一個E2PROM字節(jié)構(gòu)成。用一條存儲器操作命令對TH和TL進行寫入，對這些寄存器的讀出則需要通過暫存器。所有操作命令都是8位，所有數(shù)據(jù)均以低有效位在前的方式（LSB）進行讀/寫。連接DS18B20的總線電纜有長度限制，采用普通信號電纜長度為50米，總線電纜為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通信距離為150米。另外，向DS18B20發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DS18B20的返回信號。如果DS18B20接觸不好或斷線，則程序讀該DS18B20時，將沒有返回信號。
3）可編程鍵盤、顯示器接口芯片---8279 及CAN總線物理接口---82C250
8279芯片是專用于鍵盤、顯示器的接口芯片，能對顯示器自動掃描，能識別鍵盤上閉合鍵的鍵號，提高CPU的工作效率。8279包括鍵盤輸入和顯示輸出兩個部分，鍵盤部分提供的掃描方式，可以和具有64個按鍵和傳感器的陣列相連，能自動消除開關(guān)抖動以及對n鍵同時按下采取保護。顯示部分按掃描方式工作，可以顯示8或16位LED八段數(shù)碼顯示器。
82C250是PHILIPS公司生產(chǎn)的CAN控制器與物理總線之間的接口，提供對CAN總線的差動發(fā)送和接收能力，最初是為汽車高速通信的應(yīng)用而設(shè)計的。它與ISO/DIS 11898標準全兼容，具有抗汽車環(huán)境下的瞬間干擾、保護總線能力?？梢酝ㄟ^調(diào)整CAN總線上通信脈沖的斜率來降低射頻干擾。可有110個節(jié)點相連接。
4．軟件設(shè)計
在采集卡的軟件設(shè)計中，主要采用模塊化的設(shè)計思想，主要分為系統(tǒng)初始化程序、CAN中斷服務(wù)程序、INT1中斷服務(wù)程序（即8279中斷服務(wù)程序）、ADC中斷服務(wù)程序、T0中斷服務(wù)程序和“看門狗”定時器服務(wù)程序等幾個部分。
系統(tǒng)初始化程序主要是對CAN控制器、8279芯片、DS18B20、定時器、ADC控制寄存器、中斷控制寄存器、中斷優(yōu)先級寄存器等進行初始化設(shè)置。然后根據(jù)發(fā)生事件的不同來進行不同的處理。
CAN中斷服務(wù)程序主要包括CAN接收中斷服務(wù)程序和CAN發(fā)送中斷服務(wù)程序，主要處理CAN總線通信過程中的各種情況。
INT1外部中斷是由8279引起的中斷，當8279的FIFO寄存器不為空的時候，就向CPU發(fā)出中斷申請，CPU進入中斷后，首先讀8279的狀態(tài)寄存器，如果發(fā)生錯誤，就進入鍵盤出錯處理程序。否則，進入鍵盤處理程序。在鍵盤處理程序中，從FIFO寄存器中讀出鍵值，根據(jù)鍵值的不同，進行相應(yīng)的處理。
T0中斷程序主要處理跟定時有關(guān)的操作，可以起到時鐘的作用，并且根據(jù)實現(xiàn)設(shè)定好的參數(shù)，實現(xiàn)定時采樣，定時發(fā)送的功能。
T2定時器是專門防止單片機“死機”而設(shè)置的“看門狗”定時器。
本文作者創(chuàng)新點:采用當前流行器件來構(gòu)成CAN智能采集卡以及相關(guān)軟件設(shè)計。CAN總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由上位機、CAN總線適配卡及若干個CAN節(jié)點組成。可通過網(wǎng)卡或者嵌入式WEB網(wǎng)關(guān)連入局域網(wǎng)，再通過路由器接入Internet。通過WEB服務(wù)器，利用OPC技術(shù)，進一步實現(xiàn)B/S結(jié)構(gòu)的實時監(jiān)控。
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