C8051F040在基于CAN总线的分布式测控系统中的应用

摘要：CYGNAL生产的单片机C8051F040是代表８位单片机发展方向的高速（25M）混合信号系统级芯片（SOC）它不仅集成了一般测控系统需要的外设，而且集成了很有发展前景的现场总线—CAN总线控制器，文中对该芯片中的CAN控制器结构作了分析，并给出了在分布式测控系统中使用该芯片的智能节点的硬件、软件设计方案。 关键词：C8051F040；CAN总线；分布式；测控节点 １　概述 分布式在线测控系统是由多个面向设备的、以ＭＣＵ为核心的智能处理单元和多个并行运行且具有不同监测和故障诊断功能的微机构成的。该系统采取“分治”的设计思想它将数据采集以及部分数据处理任务交给设备层的智能处理单元去完成而监测诊断层主要负责监视和故障诊断。分布式测控系统设计均应考虑各个节点之间的通信问题因为通信网络的选取对系统性能有很大影响。 国内已开展了基于现场总线的在线测控系统的研究并利用ＣＡＮ总线实现设备层的检测处理、单元间的通信以及与上层监测主机的通信。ＣＡＮ总线就是一种支持分布式实时控制系统的串行通信局域网络总线。它的主要特点如下: ●任一个节点均可在任一时刻主动向网络上的其它节点发送数据,而从不分主从,因此，通信比较灵活; ●节点可分为不同的优先级,可以满足不同的实时要求; ●采用非破坏性总线仲裁,当两节点同时向总线发送信息时,优先级低的节点主动停止数据发送而优先级高的节点可不受影响地继续发送数据； ●通信距离最远可达１０ｋｍ，通信最高速率可达１Ｍｂｐｓ ●每帧数据的有效字节数为８，因此，可保证很短的传输时间，而且实时性强，受干扰的概率低； ●每帧数据都含有ＣＲＣ（循环冗余）校验及其它校验措施，因而数据出错率很低； ●ＣＡＮ总线节点在严重错误的情况下，可自动切断与总线的联系，以使总线上的其它操作不受影响。 目前，ＣＡＮ总线协议以其可靠性高、实时性好以及独特的设计已经成为总线通信网络的首选国内目前使用较广的是ＰＨＩＬＩＰＳ 生产的ＳＪＡ１０００ 、８２Ｃ２００等独立的ＣＡＮ控制器，由于这种独立的控制器限制了测控节点的集成度，因此，很多微处理器生产厂家已经开始生产内部集成有ＣＡＮ控制器的ＭＣＵ。美国ＣＹＧＮＡＬ公司生产Ｃ８０５１Ｆ０４０就是内部集成有ＢＯＳＣＨ ＣＡＮ控制器的混合信号系统级芯片（ＳＯＣ）。本文将分析Ｃ８０５１Ｆ０４０ 的ＣＡＮ总线结构、与ＣＰＵ 的接口及初始化配置，同时将给出基于Ｃ８０５１Ｆ０４０的分布式测控节点的设计及系统的实现框架。 ２ Ｃ８０５１Ｆ０４０及其内部ＢＯＴＳＨ ＣＡＮ Ｃｙｇｎａｌ公司的单片机Ｃ８０５１Ｆ０４０具有与８０５１指令集完全兼容的ＣＩＰ－５１内核。它的最高频率可达２５ＭＨｚ内置６４ｋＢ ＦＬＡＳＨ ＲＡＭ和４ｋＢ的数据存储器。Ｃ８０５１Ｆ０４０在一个芯片内集成了构成单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其它功能部件，包括ＡＤＣ、可编程增益放大器、ＤＡＣ、电压比较器、温度传感器、ＳＭＢｕｓ／Ｉ２Ｃ、ＵＡＲＴ、ＳＰＩ、定时器、内部振荡器、看门狗电路以及ＣＡＮ 控制器等，这种高度集成为设计小体积、低功耗、高可靠和高性能的测控系统提供了方便，同时也使测控设备整体成本能够降低。 Ｃ８０５１Ｆ０４０内部集成有ＢＯＴＳＨ ＣＡＮ，它兼容ＣＡＮ技术规范２．０Ａ和２．０Ｂ，主要由ＣＡＮ内核、消息ＲＡＭ（独立于ＣＩＰ－５１的ＲＡＭ）、消息处理单元和控制寄存器组成，图１所示是Ｃ８０５１Ｆ０４０内部的ＣＡＮ总线结构图。 图１中，ＣＡＮ内核由ＣＡＮ协议控制器和负责消息收发的串行／并行转换ＲＸ／ＴＸ移位寄存器组成。消息ＲＡＭ用于存储消息目标和每个目标的仲裁掩码。这种ＣＡＮ处理器有３２个随意配置为发送和接受的消息目标并且每一个消息目标都有它自己的识别掩码，所有的数据传输和接收滤波都是由ＣＡＮ控制器完成的，而不是由ＣＩＰ－５１来完成。 ＣＡＮ内部寄存器中存储了所有ＣＡＮ的控制和配置信息，其中包括控制寄存器、状态寄存器、设置波特率的位定时寄存器 、测试寄存器、错误计数器和消息接口寄存器。通常ＣＡＮ内核不能直接访问消息ＲＡＭ，而必须通过接口寄存器ＩＦ１或ＩＦ２来访问。另外，ＣＩＰ－５１的ＳＦＲ并不能直接访问ＣＡＮ内部寄存器的所有单元，其配置ＣＡＮ、消息目标、读取ＣＡＮ状态以及获取接收数据、传递发送数据都由ＳＦＲ中的６个特殊寄存器来完成，其中ＣＡＮ０ＣＮ、ＣＡＮ０ＴＳＴ和ＣＡＮ０ＳＴＡ ３个寄存器可直接获取或修改ＣＡＮ 控制器中对应的寄存器，而ＣＡＮ０ＤＡＴＨ、ＣＡＮ０ＤＡＴＬ、ＣＡＮ０ＡＤＲ ３个寄存器主要用来访问修改其它不能直接访问的ＣＡＮ 内部寄存器，其中ＣＡＮ０ＡＤＲ用来指出要访问寄存器的地址，ＣＡＮ０ＤＡＴＨ、ＣＡＮ０ＤＡＴＬ这时就相当于要访问的１６位寄存器的高、低字节的映射寄存器，而对它们的读写则相当于对所指向寄存器的读写。图２给出了ＣＩＰ－５１如何访问ＣＡＮ中控制寄存器和每个消息的路径图。 消息处理单元用于根据寄存器中的信息来控制ＣＡＮ内核中移位寄存器和消息ＲＡＭ 之间的数据传递，同时，它还可用来管理中断的产生。 ３　基于Ｃ８０５１Ｆ０４０的智能系统设计 ３．１ 硬件设计 工业测控现场通常存在着大量的传感器、执行机构和电子控制单元，它们一般分布较广，而且对实时性要求也很高，图３是基于ＣＡＮ总线的分布式测控系统框图。该系统采用现场总线式集散系统ＦＤＣＳＦｉｅｌｄ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ结构，它由主控站（注：ＣＡＮ总线各节点并不分主从 这里是针对特定的系统而言）、Ｃ８０５１Ｆ０４０为ＭＣＵ的智能节点并配以ＣＡＮ现场总线控制网络构成。主控站主要完成对各节点的在线监控以及对各节点返回信息的分析处理，并对节点发出控制命令以控制节点工作模式。智能节点则根据主控站命令来完成数据采集、运行显示以及对执行部件的控制，以及各节点与主站、节点与节点之间的实时数据交换和信息控制。 图４是一个以Ｃ８０５１Ｆ０４０为核心的智能节点设计原理图。 图中，Ｃ８０５１Ｆ０４０的６、７脚分别为ＣＡＮＲＸ和ＣＡＮＴＸ引脚，ＣＡＮ的输出输入必须加总线收发器才能与ＣＡＮ物理总线相连。本系统采用了ＴＪＡ１０５０高速ＣＡＮ收发器来替代传统的ＰＣＡ８２Ｃ２５０收发器，ＴＪＡ１０５０芯片具有电磁辐射低、防短路、不上电时对总线无影响等特点，它的８脚Ｓ可以选择高速或静音两种模式，并可由Ｃ８０５１Ｆ０４０的Ｐ４．０控制。为了增加ＣＡＮ 节点的抗干扰能力，将ＣＡＮ引脚通过高速光耦６Ｎ１３７与总线收发器相连，可实现各节点之间的电气隔离。电源的隔离可以采用小功率电源隔离模块，也可以用带多个５Ｖ隔离输出的开关电源模块。这样能大大提高节点的稳定性和可靠性，但可能会增加节点的硬件复杂性。 ３．２ 节点软件设计 对于一个实际的测控系统，其节点软件是比较复杂的，但由于Ｃ８０５１Ｆ０４０具有与８０５１指令完全兼容的ＣＩＰ－５１内核，所以，对于有使用５１系列单片机经验的人来说，这并没有太大的难度，下面主要介绍Ｃ８０５１Ｆ０４０内置ＣＡＮ的软件设计。 如果需要某一节点将Ａ／Ｄ采样值通过ＣＡＮ总线送到主控站（地址０１Ｈ），且配置系统时设定的工作频率为２５ＭＨｚＣＡＮＴＸ引脚设为推挽方式，那么在初始化过程中，波特率应配置为１６０ｋｂｐｓ，消息目标禁止不用，配置消息目标２为接收时的程序代码如下： ＣＡＮ_ＩＮＩＴ： ＭＯＶ ＳＦＲＰＡＧＥ，＃０１Ｈ ＯＲＬ ＣＡＮ０ＣＮ，＃４１Ｈ ；设ＩＮＩＴ位为１， ＣＣＥ为１ ； 配置波特率 ＭＯＶ ＣＡＮ０ＡＤＲ，＃０３Ｈ ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＨ，＃７ＦＨ ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃０５Ｈ ；禁止不用的消息目标（３－３２） ＭＯＶ ＣＡＮ０ＡＤＲ， ＃０ＤＨ ； 指向ＩＦ１的仲裁控制寄存器２ ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＨ，＃００Ｈ ； ＭＡＧＶＡＬ＝０； ＭＯＶ ＣＡＮ０ＡＤＲ，＃０９Ｈ ； 指向ＩＦ１的命令掩码寄存器 ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃０Ａ０Ｈ ； 方向为写，改变仲裁位 ＭＯＶ Ｒ１，＃２０Ｈ ＭＯＶ ＣＡＮ０ＡＤＲ， ＃０８Ｈ ；指向ＩＦ１的命令寄存器 ＥＮＡＢＬＥ_ＭＥＳＳＡＧＥ_ＯＢＪＥＣＴＳ： ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，Ｒ１ ；写Ｒ１指向的消息目标 ＭＯＶ ＣＡＮ０ＡＤＲ， ＃０８Ｈ ；指向ＩＦ１的命令寄存器 ＷＡＩＴ_ＴＲＡＮＳＦＥＲ_ＯＶＥＲ ＭＯＶ Ａ，ＣＡＮ０ＤＡＴＨ ；读命令寄存器 ＪＢ ＡＣＣ．７，ＷＡＩＴ_ＴＲＡＮＳＦＥＲ_ＯＶＥＲ ＤＥＣ Ｒ１ ＣＪＮＥ Ｒ１，＃０２Ｈ，ＥＮＡＢＬＥ_ＭＥＳＳＡＧＥ_ＢＪＥＣＴＳ ；配置消息目标２为接收 ＭＯＶ ＣＡＮ０ＡＤＲ，＃２１Ｈ ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃１１１１１０００Ｂ； 写ＩＦ２命令掩码 ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＨ，＃００Ｈ ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃００Ｈ ；写ＩＦ２掩码１ ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＨ，＃００Ｈ ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃００Ｈ ； 写ＩＦ２掩码２ ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃００Ｈ ； 写ＩＦ２仲裁寄存器１ ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＨ，＃８０Ｈ ； 写ＩＦ２仲裁寄存器２高８位 消息目标有效，标准仲裁帧，方向为接收 ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃００Ｈ ； 写ＩＦ２仲裁寄存器２低８位 ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＨ，＃０００１０１００Ｂ； 写ＩＦ２控制寄存器高位 ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃８０Ｈ ； 写ＩＦ２控制寄存器低位 ＭＯＶ ＣＡＮ０ＡＤＲ， ＃２０Ｈ ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ， ＃０２Ｈ ； 通过ＩＦ２写２号消息目标 ＷＡＩＴ_ＴＲＡＮＳＦＥＲ_ＯＶＥＲ１； ＭＯＶ Ａ，ＣＡＮ０ＤＡＴＨ ； 读命令寄存器 ＪＢ ＡＣＣ．７，ＷＡＩＴ_ＴＲＡＮＳＦＥＲ_ＯＶＥＲ１ ; 等待写结束 ;ＣＡＮ进入操作模式 ＭＯＶ ＣＡＮ０ＣＮ,＃００００００１０Ｂ ； ＣＡＮ进入正常操作模式状态中断使能， ＲＥＴ 发送过程是将存储在从ＢＵＦ０起始地址中的２个字节的Ａ／Ｄ采样数据，通过ＩＦ１传送到消息目标１的过程。其启动发送程序代码如下： ＳＥＮＤ_ＡＤ_ＤＡＴＡ： ＭＯＶ ＳＦＲＰＡＧＥ， ＃０１Ｈ ＭＯＶ ＣＡＮ０ＡＤＲ， ＃０９Ｈ ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃１０１１０１１１Ｂ ； 写ＩＦ１命令掩码寄存器 ＭＯＶ ＣＡＮ０ＡＤＲ， ＃０ＤＨ ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＨ，＃１０１０００００Ｂ ；使用１１位标准仲帧 ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃０４Ｈ ；写ＩＦ１仲裁寄存器２，发送对象的地址０１因标准帧使用高１１位，所以地址要左移２位指向控制寄存器 ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＨ，＃００００１００１Ｂ ； 写ＩＦ１控制寄存器高８位，传输中断使能，置传输请求位 ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃０ＢＨ ； 写ＩＦ１控制寄存器低８ 位，ＥＯＢ＝１ ＤＬＣ＝０指向ＢＵＦ０ ＭＯＶ ＤＰＴＲ，ＢＵＦ０ ＭＯＶＸ Ａ，＠ＤＰＴＲ ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，Ａ ； 写ＩＦ１数据０ ＩＮＣ ＤＰＴＲ ＭＯＶＸ Ａ，＠ＤＰＴＲ ＭＯＶ ＣＡＮ０ＡＤＲ，＃０ＦＨ ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＨ，Ａ ； 写ＩＦ１数据１ ＭＯＶ ＣＡＮ０ＡＤＲ， ＃０８Ｈ ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃０１Ｈ ；传递到目标１及启动发送 ＲＥＴ ４　结束语 Ｃｙｇｎａｌ公司的单片机Ｃ８０５１Ｆ０４０是一种完全集成的混合信号系统级芯片(ＳＯＣ)，它具有与８０５１指令集完全兼容的ＣＩＰ－５１内核代表了８位单片机的发展方向。它不仅集成有构成监控系统常用的外设，而且集成了逐渐成为控制领域首选的高可靠性、高性能Ｃ８０５１Ｆ０４０ ＣＡＮ总线;本文使用该芯片设计的测控系统智能节点具有集成度高、性能稳定等特点。由于Ｃ８０５１Ｆ０４０可达到２５ＭＨｚ工作频率，因而可提高系统实时性。此外，由于ＢＯＴＳＣＨ ＣＡＮ内有３２个自带掩码消息目标的特殊设计，因此，用其进行分布式在线测控系统节点之间的相互数据传递设计将更为简单。