基于ADμC812的CAN总线智能节点的设计

摘要：介绍了一种用单片机ADμC812、CAN总线控制器SJA1000和CAN总线驱动器POA82C250组成的CAN总线智能节点的设计方案，给出了该节点的硬件结构和软件设计方法，同时介绍了CAN总线的主要特点。 关键词：CAN总线；ADμC812；数据采集卡 １　引言 ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）总线协议最初是以研发和生产汽车电子产品著称的德国ＢＯＳＣＨ公司开发的，它是一种支持分布式实时控制系统的串行通信局域网。目前，ＣＡＮ总线以其高性能、高可靠性、实时性等优点，而被广泛应用于控制系统中的检测和执行机构之间的数据通信中。ＣＡＮ总线具有以下一些技术特性： ●多主方式工作，采用非破坏性的基于优先权的总线仲裁技术； ●借助接收滤波可实现多地址的帧传送； ●数据采用短帧结构，抗干扰性强，数据帧的信息ＣＲＣ校验及其它错误检测措施完善； ●发送期间丢失仲裁或由于出错而遭破获的帧可以自动重发； ●严重错误时可自动关闭总线功能，以使总线其它操作不受影响。 ＣＡＮ总线符合ＩＳＯ１１８９８标准，最大传输速率为１ＭＢ／ｓ时传输距离最大为４０ｍ；传输速率为５ｋＢ／ｓ时的最大传输距离为１０ｋｍ。ＣＡＮ总线的传输介质可为双绞线、同轴电缆等。由于ＣＡＮ总线是一种很有发展前景的现场总线，因此得到了国际上很多大公司的支持，加之基于ＣＡＮ总线的硬件接口简单，编程方便，系统容易集成。因此它特别适用于系统分布比较分散、实时性要求高、现场环境干扰大的场合。 ２　系统结构 由于ＣＡＮ总线采用多主方式工作，所以它具有与ＤＣＳ控制系统不一样的拓扑结构。其控制系统的构成由计算机和智能节点组成，图１所示是其系统结构。该系统最大的特点就是所有的节点（包括上位ＰＣ机）都能以平等的地位挂接在总线上。一个ＣＡＮ总线节点通常至少包括三个部分，即负责节点任务控制的单片机、ＣＡＮ总线控制器以及ＣＡＮ总线收发器。本文给出的就是一个可完成数据采集功能的ＣＡＮ节点的设计方法。 ３　ＣＡＮ节点的硬件设计 本ＣＡＮ节点的电路原理简图如图２所示。该电路的三个核心器件是单片机ＡＤμＣ８１２１、独立的ＣＡＮ总线控制器ＳＪＡ１０００和ＣＡＮ总线驱动器ＰＣＡ８２Ｃ２５０。其中ＳＪＡ１０００２和ＰＣＡ８２Ｃ２５０两者的组合应用已经在很多ＣＡＮ总线节点的设计中用到，而本设计的特点就在于，它是根据要完成数据采集功能这一具体要求来选用微控制器ＡＤμＣ８１２。图２中的串行接口芯片ＭＡＸ２３２作为ＡＤμＣ８１２与ＰＣ机的串口连接，它的使用是由该单片机的调试特点决定的。 ＡＤμＣ８１２是高度集成、高精度１２位数据采集系统，该产品在其内核中集成了带有片内可重编程非易失性闪速／电擦除程序存储器的高性能８位（与８０５１兼容）ＭＣＵ和多通道（８个输入通道）１２位ＡＤＣ。 由于ＡＤμＣ８１２只需要通过其串口模块和计算机的串口进行连接，而不需要额外的仿真器，因而可利用ＡＤＩ公司的ＱＵＩＣＫＳＴＡＲＴ软件来实现程序的在线下载、在线调试和在线仿真，从而极大地提高了工作效率。这也是本设计使用ＭＡＸ２３２的原因。 该系统在工作时，首先将从前面传感器送来的工业标准信号（４～２０ｍＡ或１～５Ｖ）通过调理电路变为０～２．５Ｖ的模拟电压信号输入至ＡＤμＣ８１２的Ｐ０．０～Ｐ０．７ （ＡＤ０～ＡＤ７）引脚（根据实际情况确定所需ＡＤ端口的数量），然后通过程序控制，再将Ａ／Ｄ转换所得的数字信息通过ＳＪＡ１０００和ＰＣＡ８２Ｃ２５０送到ＣＡＮ总线上的相关节点。 ＳＪＡ１０００作为微控制器的片外扩展芯片，其片选引脚ＣＳ应接在微控制器的Ｐ２．０上，以用于决定ＣＡＮ控制器各寄存器的地址。ＳＪＡ１０００通过ＣＡＮ总线驱动器ＰＣＡ８２Ｃ２５０连接在物理总线上。ＰＣＡ８２Ｃ２５０器件可提供对总线的差动发送能力和对ＣＡＮ控制器的差动接受能力，它同时完全和“ＩＳＯ１１８９８”标准兼容。为进一步提高系统的抗干扰能力，一般在ＣＡＮ总线控制器ＳＪＡ１０００和ＣＡＮ总线驱动器ＰＣＡ８２Ｃ２５０之间加接６Ｎ１３７光电隔离芯片，只不过在图２中没有表示出来。由于通信信号传输到导线的端点时会发生反射，而且反射信号会干扰正常信号的传输，因此，总线两端应接有终端电阻Ｒ１、Ｒ２，以消除反射信号，其阻值应当与传输电缆的特性阻抗大致相当。 ４　ＣＡＮ节点的软件设计 本节点的软件编程主要包括Ａ／Ｄ转换（ＡＤＣ）、ＣＡＮ控制器的初始化、ＣＡＮ总线数据的发送和接收等几个部分。主程序的流程图如图３所示。 下面分别对这几个主要部分的程序设计做一介绍。 ４．１ Ａ／Ｄ转换部分 笔者在本设计中采用的是单步Ａ／Ｄ转换模式，并将Ａ／Ｄ转换结果存入指定的数据存储区。具体步骤如下： （１）通过设置ＡＤＣ控制寄存器（ＡＤＣＣＯＮ１和ＡＤＣＣＯＮ２）的值来确定Ａ／Ｄ转换的工作状态和采样通道号； （２）使能ＡＤＣ中断，置位ＳＣＯＮＶ位以启动单步Ａ／Ｄ转换； （３）等待响应ＡＤＣ中断，并进入中断服务程序； （４）把采样所得的数据从ＡＤＣＤＡＴＡＬ和ＡＤＣ-ＤＡＴＡＨ两个特殊寄存器中取出，并存入预设的片内数据存储器中，然后退出中断服务程序； （５）判断所需通道是否采样完毕，如果未完成，则设置采样通道号并返回步骤（２），若完成则退出Ａ／Ｄ转换子程序。 通过该程序可随时根据实际需要更改采样通道数，并将采样结果直接存入指定数据存储区，以为今后向ＣＡＮ总线发送所得数据提供便利。 ４．２ ＳＪＡ１０００的初始化 ＣＡＮ的通信协议主要是由ＣＡＮ控制器完成的，因此，要想实现ＣＡＮ节点的数据传送，对ＣＡＮ控制器的初始化是十分关键的。这个步骤直接决定着该ＣＡＮ网络系统各节点所共同遵守的协议。对ＳＪＡ１０００进行初始化实际上就是通过单片机向其片内的各个寄存器写入控制字的过程，其寄存器包括以下几个： ＲＥＧ ＣＯＮＴＲＯＬ—内部控制寄存器地址； ＲＥＧ ＣＯＭＭＡＮＤ—内部命令寄存器地址； ＲＥＧ ＳＴＡＴＵＳ —内部状态寄存器地址； ＲＥＧ ＩＮＴＥＲＲＵＰＴ—内部中断寄存器地址； ＲＥＧ ＡＣＲ—内部验收代码寄存器地址； ＲＥＧ ＡＭＲ—内部验收屏蔽寄存器地址； ＲＥＧ ＢＴＲ０—总线定时寄存器０； ＲＥＧ ＢＴＲ１—总线定时寄存器１； ＲＥＧ ＯＣＲ—输出控制寄存器。 其中：ＢＴＲ０、ＢＴＲ１寄存器的内容可用于决定系统通信的波特率和ＣＡＮ协议物理层中的同步跳转宽度，因此，对于一个系统中的所有节点，这两个寄存器的内容必须相同（包括上位机），否则将无法进行通信；ＯＣＲ寄存器的内容用于决定ＣＡＮ控制器的输出方式；而写入ＡＣＲ、ＡＭＲ寄存器的内容则要根据实际的网络系统和报文标志符来决定。本设计中，笔者采用的是ＢａｓｉｃＣＡＮ模式。 完成初始化后，ＣＡＮ控制器就能正常运行了，但是要实现具体的数据收发任务，还必须编制特定的收、发程序。 ４．３ ＣＡＮ总线数据的发送和接收 （１）发送部分的程序设计 用ＣＡＮ总线发送数据的流程图如图４所示。 实际上，在程序运行过程中，常常会在发送某一帧数据时发现上一帧的数据还没有完全发送完毕（可以通过查询状态寄存器ＲＥＧ ＳＴＡＴＵＳ的第４位ＢＩＴ ＴＣＳ的显、隐状态可了解上次数据的发送情况）。因此，笔者采用的处理方法是：通过指令启动本次发送之后，就不停地查询状态寄存器，以判断本次发送是否完成，直到确定完成为止。这样可以为下次发送提供便利，同时也有利于程序的顺利执行，从而避免出现错误。 （２）接收部分的程序设计 图５所示是该系统接收部分的软件流程图。 实际上，在对响应速度要求不太高的场合，以查询方式来设计接收子程序是最简单、最可靠的方式。如果总线上有数据发往本节点，则通过查询状态寄存器的第１位ＢＩＴ＿ＲＢＳ的位状态，便可得知接收缓冲区（ＲＸＦＩＦＯ）中的可用信息，然后通过软件将ＲＸＦＩＦＯ中的数据逐个“移入”到指定的片内存储空间即可。对于这样一个主要以数据采集功能为主的ＣＡＮ节点，这些数据多半是由ＣＡＮ网络中的“控制中心”发来的控制信号，设计时把它们留给ＡＤμＣ８１２进一步处理就可以了。 还应注意的是：在接收查询过程中，要“观察”是否有总线关闭、总线出错、接收缓冲器超载等状态，如果有的话，必须要进行相应的“错误”处理，否则也不能正常进行数据接收，还有一个问题是关于远程帧的处理。限于篇幅，本文不作介绍。 ５　结束语 实践证明：本文所介绍的ＣＡＮ总线智能节点能够很好地实现对工业标准模拟输出信号的采集以及与ＣＡＮ总线上其它节点的通信。由于该节点是基于单片机ＡＤμＣ８１２开发的，因此它的体积小巧且扩展灵活。笔者相信，基于该单片机的各种总线节点一定会得到广泛的应用。