基于dsPIC30F6014數(shù)字信號控制器的CAN節(jié)點設計

引言
 CAN，全稱為“Controller Area Network”，即控制器局域網，是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。作為一種技術先進、可靠性高、功能完善、成本合理的遠程網絡通訊控制方式，CAN-bus已被廣泛應用到各個自動化控制系統(tǒng)中，具有不可比擬的優(yōu)越性。
新型16位dsPIC30F6014數(shù)字信號控制器結合單片機的控制優(yōu)點及數(shù)字信號處理器(DSP)的高速運算特性，為嵌入式系統(tǒng)提供了單一芯片解決方案。
本篇論文以CAN協(xié)議為基礎，結合dsPIC30F6014的突出性能，在設計通訊接口過程中，提出了基于dsPIC30F6014數(shù)字信號控制器的CAN節(jié)點設計方法。

1 dsPIC30F6014數(shù)字信號控制器與CAN總線

1.1 dsPIC30F6014數(shù)字信號控制器特點

dsPIC30F6014數(shù)字信號控制器（DSC）是單片嵌入式控制器，它集成了單片機（MCU）的控制功能以及數(shù)字信號處理器（DSP）的計算能力和數(shù)據(jù)吞吐能力，運算速度可達20和30 MIPS，配備自編程閃存，并能在工業(yè)級溫度和擴展級溫度范圍內工作。以16位單片機為核心的 dsPIC30F6014數(shù)字信號控制器不僅具有功能強大的外圍設備和快速中斷處理能力，又融合了可管理高速計算活動的數(shù)字信號處理器功能。dsPIC30F CPU 模塊采用16 位（數(shù)據(jù)）改良的哈佛架構，并帶有增強型指令集包含對DSP 的有力支持。CPU 擁有24 位指令字，指令字帶有長度可變的操作碼字段。 程序計數(shù)器（PC）為24位寬，可以尋址高達4M × 24 位的用戶程序存儲器空間。 單周期指令預取機制用來幫助維持吞吐量并提供可預測的執(zhí)行。配備144K字節(jié)增強型閃存及8K字節(jié)靜態(tài)RAM，8K字節(jié)EEPROM，能支持大型的復雜應用。dsPIC系列產品與現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)不同，系統(tǒng)集成了振蕩器，低電壓檢測，看門狗定時器，產品無需使用額外的元件，可降低主板面積和系統(tǒng)成本，為嵌入式系統(tǒng)提供了單一芯片解決方案。此外還具備一系列片上功能，包括I/O端口、定時器、輸入捕捉、輸出比較、UART、12位A/D轉換器、SPI接口、I2C接口及ＣＡＮ通信等模塊。結構圖如圖1所示：

這些特性使之成為需要更高精確度、更快轉速或無傳感器控制的電機控制應用領域如非傳感無刷直流電機、磁阻轉換和感應電機的理想解決方案，另外還可以應用于因特網接入設備和汽車產品；生物特徵檢測保護--如指紋識別；不間斷電源、電源管理和話音開關(話音識別系統(tǒng))等領域。

1.2 CAN總線技術特點

CAN是主要用于各種過程（設備）監(jiān)測及控制的一種網絡。最初是德國BOSCH公司為汽車的監(jiān)測、控制系統(tǒng)而設計的。由于CAN具有卓越的特性和極高的可靠性，特別適合于工業(yè)過程中監(jiān)控設備的互連，因此，越來越受到工業(yè)界的重視。具體來說，CAN具有如下特性：
  （1） CAN可以多主方式工作，網絡上任意一個節(jié)點均可以在任意時刻主動地向網絡上的其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活；
  （2） CAN可以點對點、點對多點（成組）及全局廣播方式傳送接收數(shù)據(jù)；
  （3） CAN網絡上的節(jié)點信息可分成不同的優(yōu)先級，可以滿足不同的實時要求；
  （4） CAN采用非破壞性總線仲載技術。當兩個節(jié)點同時向網絡上發(fā)送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級低的點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，大大地節(jié)省了總線仲載沖突時間，在網絡負載很重的情況下也不會出現(xiàn)網絡癱瘓；
  （5） CAN的直接通信距離最大可達10km（速率小于5kbps），最高通信速率可達1Mkbps（此時距離最長為40m）。

[!--empirenews.page--]2 CAN節(jié)點設計

2.1 CAN節(jié)點硬件設計

圖2所示為CAN總線網絡示例。圖中給出了三種CAN網絡實現(xiàn)方式：微控制器+CAN控制器+CAN收發(fā)器；集成CAN控制器的微控制器+CAN收發(fā)器；CAN的串行I/O器件+CAN收發(fā)器。其中節(jié)點1由MICROCHIP公司的dsPIC30F6014集成CAN控制器+MCP2551CAN收發(fā)器構成；節(jié)點2由MICROCHIP公司的PIC單片機+SPI接口的MCP2550串行CAN控制器+MCP2551CAN收發(fā)器構成；PC機的CAN節(jié)點由Philips公司的SJA1000CAN控制器+PCA82C250CAN收發(fā)器構成。本文的研究和試驗結果就是在這一網絡框架下完成的。
顯然dsPIC30F6014只需加上CAN總線收發(fā)電路就可掛接到CAN通信網絡上，大大簡化了通信系統(tǒng)的設計，同時可減少通信節(jié)點受到干擾的概率。CAN模塊通過CAN控制器接口芯片MCP2551連接到物理總線上。MCP2551是一個可容錯的高速CAN器件，可作為CAN協(xié)議控制器和物理總線接口。MCP2551 可為CAN 協(xié)議控制器提供差分收發(fā)能力，它完全符合ISO-11898標準，包括能滿足24V 電壓要求。它的工作速率高達1 Mb/s。

2.2 CAN節(jié)點軟件設計
CAN總線的3層結構模型為: 物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。系統(tǒng)的開發(fā)主要在應用層軟件的設計上，CAN總線節(jié)點的軟件設計主要包括三大部分：CAN節(jié)點初始化、報文發(fā)送和報文接收。初始化程序設計對于CAN總線節(jié)點的正常工作相當重要。它主要包括工作方式的設置、接收屏蔽寄存器和接收代碼寄存器的設置、總線定時器的設置和中斷允許寄存器的設置。MICROCHIP公司提為開發(fā)者提供了豐富的開發(fā)工具和應用程序庫，使得開發(fā)代碼效率大大提高。由于CAN 協(xié)議沒有規(guī)定信息標識符的分配，因此可以根據(jù)不同應用使用不同的方法，所以在設計一個基于CAN 的通訊系統(tǒng)時確定CAN 標識符的分配非常重要。標識符的分配和定位也是較高層解決手段的其中一個主要的項目。當前較流行的CAN應用層協(xié)議有 CANOpen協(xié)議DeviceNet協(xié)議。DeviceNet協(xié)議適合于工廠自動化控制，CANOpen協(xié)議適合于所有機械的嵌入式網絡。對于小型網絡（圖2所示）Modbus 協(xié)議是一個不錯的解決發(fā)案。Modbus 協(xié)議是應用于電子控制器上的一種通用語言，通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經由網絡（例如以太網）和其它設備之間可以通信。它已經成為一個通用工業(yè)標準。有了它不同廠商生產的控制設備可以連成工業(yè)網絡進行集中監(jiān)控。 Modbus 協(xié)議支持主/從通訊方式同時也支持使用對等技術通訊。因此Modbus協(xié)議不僅能夠支持RS232、RS485 網絡也能夠充分發(fā)揮CAN-bus 網絡的性能與通訊效率。

3 系統(tǒng)應用中應注意的問題
在實際運行中, 經常會遇到CAN總線不通和數(shù)據(jù)傳輸過程中丟幀現(xiàn)象，糾其原因主要有以下幾方面：

（1）為了進一步提高抗干擾措施, 在CAN控制器和收發(fā)器之間應使用由高速隔離器件如6N137 構成的隔離電路，同時采用DC-DC模塊將電源隔離，增強抗電磁干擾能力，保護系統(tǒng)電路不受網絡影響。
（2） 總線兩端的2個120歐姆的電阻, 對于匹配總線阻抗, 起著相當重要的作用。若忽略掉它們,會使數(shù)據(jù)通信的抗干擾性及可靠性大大降低, 甚至無法通訊。
（3） 在軟件設計時, CAN 總線定時器的設置非常關鍵, CAN 總線上的所有控制器必須有相同的波特率和位長度。然而，不同的控制器并不要求使用相同的主振蕩器時鐘。如果各個控制器的時鐘頻率不同，必須通過調節(jié)各個段的時間份額數(shù)調節(jié)波特率。下面是時間段編程的一些要求：
• 傳播段+ 相位緩沖段1> = 相位緩沖段2
• 相位緩沖段2 > 同步跳轉寬度
通常，位的采樣應當發(fā)生在位時間的60-70% 左右，取決于系統(tǒng)參數(shù)。

結語
本文的創(chuàng)新觀點在于：詳細介紹了dsPIC30F6014數(shù)字信號控制器CAN節(jié)點實現(xiàn)方案。研究和試驗結果表明利用dsPIC30F6014數(shù)字信號控制器構成的CAN節(jié)點具有許多優(yōu)良的性能，并能充分發(fā)揮節(jié)點的功能，為嵌入式系統(tǒng)CAN節(jié)點設計提供了一種新型實用方案。