基于C8051F550的CAN總線智能節(jié)點的設(shè)計

摘要：簡單介紹了CAN總線的特點與構(gòu)成。詳細介紹了主節(jié)點的工作過程和從節(jié)點硬件接口電路的搭建方法，并通過對微處理器的軟件編程，實現(xiàn)了CAN總線網(wǎng)絡(luò)的實時通信。整個節(jié)點通信系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可以滿足現(xiàn)場環(huán)境要求。
關(guān)鍵詞：CAN總線；USB—CAN適配器；C8051F550；智能節(jié)點

    CAN總線最早是德國的BOSCH公司為解決汽車的監(jiān)測，控制系統(tǒng)而設(shè)計的?，F(xiàn)在，已由汽車行業(yè)擴展到過程工業(yè)，機械工業(yè)，機器人和樓宇自動化等領(lǐng)域。總結(jié)各個領(lǐng)域中的應(yīng)用實例，CAN通信設(shè)計的關(guān)鍵在于各個通信模塊的設(shè)計與實現(xiàn)。通信信號一般有模擬量輸入／輸出(電壓電流采集模塊)，開關(guān)量輸入＼輸出，數(shù)字量輸入＼輸出(如計數(shù)器模塊)等。本文重點就模擬量輸入模塊和開關(guān)量輸入模塊的設(shè)計，采用具有CAN接口的C8051F550單片機作為系統(tǒng)設(shè)計的從節(jié)點，用來采集模擬量和開關(guān)量，實現(xiàn)與上位機中央控制器的通信。

1 CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)
    如圖1所示，本設(shè)計中通過帶有終端器(120歐電阻)的通信介質(zhì)(雙絞線)將上位機和底層模塊連接起來。實驗中，終端電阻和雙絞線阻抗的匹配確保了數(shù)據(jù)信號不會在總線的兩端反射。上位機(主節(jié)點)采用USB—CAN接口適配器(型號GYB507)，使PC機直接通過USB接口就可連入CAN總線網(wǎng)絡(luò)，成為一個標(biāo)準的CAN節(jié)點。配合總線通信測試軟件CANtool的使用，可直接配置PC機的發(fā)送與接收狀態(tài)，通信速率和報文濾波功能等。同時，還可實時監(jiān)測顯示網(wǎng)絡(luò)中各從節(jié)點與PC機的數(shù)據(jù)通信，應(yīng)用簡單、方便。

2 智能節(jié)點硬件設(shè)計
    傳統(tǒng)的從節(jié)點設(shè)計是將CPU與CAN總線控制器和總線收發(fā)器相連后再連入總線網(wǎng)絡(luò)，這樣使CPU外圍電路復(fù)雜化，整個系統(tǒng)受外部影響較大。為了解決這一問題，很多單片機廠商都將CAN控制器集成在單片機上。本文中選用C8051F550該單片機，它是內(nèi)部集成的CAN控制器，完全按照BoshchCAN全功能的CAN模塊實現(xiàn)，符合CAN2．0B協(xié)議，工作位速率可達1Mpbs。控制器包含有一個CAN內(nèi)核，消息緩沖區(qū)，報文處理狀態(tài)機和CAN控制寄存器。通信控制器有32個消息對象，可以配置為發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。輸入數(shù)據(jù)，消息對象及其標(biāo)識符存儲在CAN消息緩沖區(qū)中，能實現(xiàn)CAN協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層的全部功能及物理層大部分功能。CIP-51CPU可通過特殊功能寄存器直接或間接訪問CAN控制寄存器(CANOCN)，測試寄存器(CANOTST)和狀態(tài)寄存器(CANOSTA)。所有其它寄存器只能通過CANOADR，CANODATH和CANOTAL寄存器以地址索引方式間接訪問。
    CAN總線的驅(qū)動器采用隔離CAN總線收發(fā)器CTM1050，通信速率1Mbps，至少可連接110個節(jié)點。內(nèi)部集成的電氣輸入級隔離電路，可隔離高達2 500V的直流電壓。輸入級兼容3．3V和5V的CAN控制器，輸出級驅(qū)動具有溫度保護，內(nèi)部TVS管可防止總線過壓功能。與傳統(tǒng)的PCA82C250總線收發(fā)器相比，主要優(yōu)點是無需外加光耦可直接使用，外圍電路簡單，安全，可滿足工業(yè)現(xiàn)場惡劣條件的使用。圖2所示為C805117550與CTM1050的接口電路。

3 智能節(jié)點軟件設(shè)計
    圖1中三個節(jié)點與上位機的通信方式采用的是節(jié)點1、3與上位機實現(xiàn)點對點通信工作方式。節(jié)點1、3的微處理器C8051F550上電復(fù)位后，自動采集模擬電壓信號，通過C8051F550內(nèi)部集成的12位A／D轉(zhuǎn)換，將數(shù)字量發(fā)送到上位機。上位機實時進行數(shù)據(jù)監(jiān)控，如果收到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤，可以通過CANtool軟件，發(fā)送自定義的錯誤數(shù)據(jù)標(biāo)識給兩個節(jié)點，兩節(jié)點收到該數(shù)據(jù)后，停止A／D采樣工作。節(jié)點1、3與節(jié)點2是主從工作方式。當(dāng)節(jié)點2的開關(guān)量有按鍵按下時，1、3節(jié)點將實時采集到的數(shù)據(jù)在發(fā)送給節(jié)點2，并在節(jié)點2的LCD上顯示。
3．1 初始化CAN控制器
    C8051F550上電復(fù)位后，控制寄存器CANOCN的INIT位和CCE位置‘1’。允許寄存器初始化并寫入設(shè)置信息。需要寫入的寄存器主要包括位定時寄存器和擴展寄存器，命令掩碼寄存器。主要完成時序參數(shù)的配置和消息對象的初始化。本設(shè)計中，使用晶振頻率為11．05MHz，位定時設(shè)置為996．65～1000ns。初始化程序如下：

3．2 CAN中斷服務(wù)程序
    C8051F550的CAN支持的中斷方式有狀態(tài)中斷和模塊中斷。狀態(tài)中斷方式是在報文成功傳輸或檢測到CAN總線出錯時發(fā)生的。模塊中斷也稱消息中斷。CAN控制器允許用戶按需求配置消息對象成為中斷源。通過設(shè)置消息控制寄存器的中斷懸掛位可實現(xiàn)此功能。在CAN中斷寄存器中以最高優(yōu)先級來指向這些掛起的中斷，而不考慮時序。狀態(tài)中斷有最高優(yōu)先級，讀取狀態(tài)寄存器會自動清除狀態(tài)中斷值(8000h)。消息中斷優(yōu)先級是隨消息編號的增加而減小。消息中斷是由清除消息對象的INTPND位來清除的。中斷服務(wù)流程圖如圖3所示。

4 結(jié)束語
    本系統(tǒng)的總線通信網(wǎng)絡(luò)已實現(xiàn)三個節(jié)點與上位機的連調(diào)，系統(tǒng)軟件采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方案，使其具有較好的模塊化和可移植性，對于不同的系統(tǒng)功能或不同的應(yīng)用環(huán)境，可以方便地進行編程重組。
    本文設(shè)計的CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)中的主從智能節(jié)點經(jīng)過試驗調(diào)試，硬件電路工作正常，在總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中抗干擾能力強。軟件部分實時性強，準確率高。從節(jié)點可以實時地將信息傳送給主節(jié)點，以便主節(jié)點實時監(jiān)控。整個節(jié)點通信系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可以滿足現(xiàn)場環(huán)境要求。
    在設(shè)計過程中，認識到目前基于CAN2．0B協(xié)議的CAN控制器無法為實時和非實時性數(shù)據(jù)動態(tài)分配優(yōu)先權(quán)，基于事件觸發(fā)模式的訪問機制無法滿足眾多節(jié)點的實時訪問。