基于CAN總線分布式控制系統(tǒng)智能節(jié)點的設計

前言

現(xiàn)場總線是當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強有力的技術支持。CAN(Controller AreaNetwork)屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡。較之目前許多RS-485基于R線構(gòu)建的分布式控制系統(tǒng)而言，基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)在以下方面具有明顯的優(yōu)越性：

首先，CAN控制器工作于多主方式，網(wǎng)絡中的各節(jié)點都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)(取決于報文標識符)采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁的方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，且 CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)進行編碼，這可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這些特點使得CAN總線構(gòu)成的網(wǎng)絡各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強，并且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。而利用RS-485只能構(gòu)成主從式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通信方式也只能以主站輪詢的方式進行，系統(tǒng)的實時性、可靠性較差;

其次，CAN總線通過CAN控制器接口芯片82C250的兩個輸出端CANH和CANL與物理總線相連，而CANH端的狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài)，CANL端只能是低電平或懸浮狀態(tài)。這就保證不會出現(xiàn)象在RS-485網(wǎng)絡中，當系統(tǒng)有錯誤，出現(xiàn)多節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，導致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點的現(xiàn)象。而且CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響，從而保證不會出現(xiàn)象在網(wǎng)絡中，因個別節(jié)點出現(xiàn)問題，使得總線處于“死鎖”狀態(tài)。

而且，CAN具有的完善的通信協(xié)議可由CAN控制器芯片及其接口芯片來實現(xiàn)，從而大大降低系統(tǒng)開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期，這些是只僅僅有電氣協(xié)議的RS- 485所無法比擬的。另外，與其它現(xiàn)場總線比較而言，CAN總線是具有通信速率高、容易實現(xiàn)、且性價比高等諸多特點的一種已形成國際標準的現(xiàn)場總線。這些也是目前 CAN總線應用于眾多領域，具有強勁的市場競爭力的重要原因。

硬件電路設計

CAN遵循ISO的標準模型，分為數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。在工程上，這兩層通常由CAN控制器和收發(fā)器實現(xiàn)的。當前，市面上有兩種CAN總線器件可供選擇：一種是帶有片上CAN的微控制器，如P8XC591/2、87C196CA/CB、MC68376、PowerPC555等，使用這種集成器件方便用戶制作印制板，電路圖也更緊湊;另外一種是獨立的CAN控制器，如Philips SJA1000、Intel公司82526以及MCP2510(具有SPI接口，方便MCU連接)等， 使用獨立的CAN控制器的潛在優(yōu)勢是，系統(tǒng)開發(fā)人員可以根據(jù)所需從眾多種類的單片機中選擇最理想的系統(tǒng)設計方案。

節(jié)點微控制器選用單片機80C196KC，CAN接口由獨立控制器SJA1000和CAN控制器接口芯片82C250組成。SJA1000在軟件上和引腳上都是與它的前款PCA82C200獨立控制器兼容的，并增加了許多新功能：標準幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和擴展幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并且這兩種幀格作為式都具有單/雙接收過濾器;64字節(jié)的接收FIFO;可讀寫訪問的錯誤計數(shù)器和錯誤限制報警以及只聽方式等等。

SJA1000有兩種工作模式：Basic CAN模式和PeliCAN模式，其中PeliCAN模式全面支持CAN2.0B協(xié)議。SJA1000作為微控制器的片外擴展芯片，其片選引腳CS接在微控制器的地址譯碼器上，從而決定了CAN控制器各寄存器的地址。SJA1000通過CAN控制器接口芯片82C250連接在物理總線上。82C250器件提供對總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接受能力，完全和“ISO11898”標準兼容。其引腳8允許選擇三種不同的工作方式：高速、斜率控制和待機。在低速和總線長度較短時，一般采用斜率控制方式，限制上升和下降斜率，降低射頻干擾，斜率可通過由引腳8至地連接的電阻進行控制。斜率正比于引腳8 上的電流輸出。為進一步提高系統(tǒng)抗干擾能力，在CAN控制器SJA1000和CAN控制器接口82C250之間加接6N137光電隔離芯片，并采用DC- DC變換器隔離電源。通信信號傳輸?shù)綄Ь€的端點時會發(fā)生反射，反射信號會干擾正常信號的傳輸，因而總線兩端接有終端電阻R1、R2，以消除反射信號，其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。

軟件設計

CAN總線節(jié)點要有效、實時地完成通信任務，軟件的設計是關鍵，也是難點。它主要包括節(jié)點初始化程序、報文發(fā)送程序、報文接收程序 以及CAN總線出錯處理程序等等。CAN控制器芯片SJA1000的內(nèi)部寄存器是以作為微控制器的片外寄存器存在并作用的。微控制器和SJA1000之 間狀態(tài)、控制和命令的交換都是通過在復位模式或工作模式下對這些寄存器的讀寫來完成的。在初始化CAN內(nèi)部寄存器時注意使得各節(jié)點的位 速率必須一致，而且接、發(fā)雙方必須同步。報文的接收主要有兩種方式：中斷和查詢接收方式。

為提高通信的實時性，文中采用中斷接收方式，而且這樣也可保證接收緩存器不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出現(xiàn)象。SJA1000的Basic CAN工作模式是與其前一款PCA82C200獨立控制器相兼容的模式， 而PeliCAN工作模式支持CAN協(xié)議中的更多功能，它的程序設計也與之有所不同。下面給出SJA1000工作在模PeliCAN式下的節(jié)點初始化、報文發(fā)送、報文接收的196匯編源程序。

INITIALIZE： 初始化子程序

LDB AL, #09H; 初始化模式寄存器進入復位模式

STB AL, MODE; 選擇單濾波方式

LDB AL, #88H; 時鐘分頻器

STB AL, CDR; 選Peli CAN模式

LDB AL, #00H

STB AL, ACR0; 初始化接收代碼寄存器

LDB AL, #60H

STB AL, ACR1

LDB AL, #00H

STB AL, AMR0; 初始化接屏蔽寄存器

LDB AL, #3FH; 只接收標識符為2，3的報文

STB AL, AMR1

LDB AL, #8FH

STB AL, IER; 中斷使能寄存器

LDB AL, #01H; 總線定時寄存器0、1的設置

STB AL, BTR0;

LDB AL, #1CH; 在16MHz晶振情況下

STB AL, BTR1; 波特率設置為250

LDB AL, #0AAH

STB AL, OCR; 輸出控制器寄存器設置

LDB AL, #0H; 接收緩存器起始地址設為0

STB AL, RBSA;

LDB AL, #01H;

ORB AL, MODE;

STB AL, MODE; 返回工作模式

RET TRANSMIT：; 發(fā)送子程序

LDB AL, SR

SRCVE: JBS AL,4, SRCVE;正接收?[!--empirenews.page--]

STRSV: JBC AL,3, STRSV;發(fā)送成功?

STBF: JBC AL, 2, STBF; 發(fā)送緩存器鎖定否

WID: LDB AL, #08H

LD BX, #TXB; 發(fā)送緩存的首址

STB AL,[BX]+; 傳送兩個字節(jié)的標識符

LDB AL,#ID0

STB AL,[BX]+

LDB AL,#ID1

STB AL,[BX]+

LDB COUT,#08H; 8個字節(jié)數(shù)據(jù)

TDATA: LDB AL,[DATA]+ CPU內(nèi)的發(fā)送數(shù)據(jù)緩存區(qū)首址

STB AL,[BX]+;

DJNZ COUT,TDATA; 8個字節(jié)發(fā)完否?

LDB AL,#01H;

STB AL,CMR; 發(fā)送

RET

RECEIVE： ; 接收中斷程序

PUSHF; 保護現(xiàn)場

LDB AL,IR

JBC AL,0,OTHER; 接收中斷否?

LD BX,#RXB; 接收緩存器首址

LDB AL,[BX]+

JBC AL,6,RCDATA;標識符的RTR=1?

LDB AL,#04H; 是遠程幀,釋放接收緩存區(qū)

STB AL,CMR;

LCALL TRANSMIT; 相應遠程幀,發(fā)送相應數(shù)據(jù)

SJMP BACK

RCDATA：

ANDB AL,#0FH; 取低四位數(shù)據(jù)長度

ADDB AL,#03H;

STB AL,R1; 該報文含有的字節(jié)數(shù)

LD BX,#RXB; 接收緩存器的首地址

LD CX,#CRBF; CPU內(nèi)的接收數(shù)據(jù)緩存區(qū)首址

RECE：

LDB AL,[BX]+

STB AL,[CX]+

INCB R1

DJNZ R1,RECE; 接收完否?

LDB AL,#04H

STB AL,CMR; 釋放接收緩存區(qū)

BACK;

POPF

RET

結(jié)語

CAN總線已被公認為是最有前途的幾種現(xiàn)場總線之一。因其高性能價格比、實現(xiàn)簡單等突出優(yōu)點深得越來越多的研發(fā)人員的青睞。