智能儀表的CAN接口設(shè)計(jì)

摘要：目前現(xiàn)場總線有以下十幾種，各總線之間規(guī)范不一樣，都有自己的適用范圍，其中CAN （Controller Area Network）總線以其高性能、高可靠性及更獨(dú)特的設(shè)計(jì)越來越受到人們的重視，并已被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。本文給出了智能儀表中通用的CAN通信接口的硬件設(shè)計(jì)與軟件實(shí)現(xiàn)框圖。
關(guān)鍵詞：單片機(jī);智能儀表；CAN

1  前言

    在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域內(nèi)，長期以來使用RS-232通信標(biāo)準(zhǔn)，盡管它們被廣泛的使用，但卻是一種低數(shù)據(jù)速率和點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，無能力支持更高層次的計(jì)算機(jī)之間的功能操作。同時(shí)，在復(fù)雜或大規(guī)模應(yīng)用中（如工業(yè)現(xiàn)場控制或生產(chǎn)自動(dòng)化領(lǐng)域），需要使用大量的傳感器、執(zhí)行器和控制器等，它們通常分布在非常廣的范圍內(nèi)，所以，在最底層上的確需要設(shè)計(jì)出一種造價(jià)低廉而又能經(jīng)受工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的通信系統(tǒng)，現(xiàn)場總線（Field Bus）在這種背景下產(chǎn)生了。

    CAN是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，最初是由德國BOSCH公司為汽車監(jiān)測、控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。由于CAN總線本身的特點(diǎn)，其應(yīng)用范圍目前己不再局限于汽車行業(yè)，而向過程工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、紡織機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械、傳感器及智能儀表等領(lǐng)域發(fā)展。

    智能儀表是自動(dòng)化學(xué)科的重要組成部分。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是微電子、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)日新月異的變化，智能儀表向著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展，智能儀表一方面可以進(jìn)行人機(jī)對話及與外部儀器設(shè)備對話，通過現(xiàn)場總線接連入自動(dòng)測試系統(tǒng)。另一方面，使用者借助面板上的鍵盤和顯示屏，可用對話方式選擇測量功能、設(shè)置參數(shù)。當(dāng)然，通過總線中的工業(yè)計(jì)算機(jī)也可獲得測量節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

2  CAN的接口設(shè)計(jì)

    CAN總線是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，在CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可以完成對通信數(shù)據(jù)成幀處理。CAN總線接口的具體的電路設(shè)計(jì)如圖1所示。

    筆者用SJA1000作為流量計(jì)的CAN控制器，與CPU（單片機(jī)）的I/O口直接相連，再通過PCA82C250組成CAN總線。這種結(jié)構(gòu)很容易實(shí)現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的信息收發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的控制。

    SJA1000的AD0～AD7連接到MSP420F149的P0口，INT接到P1.0，/CS接到P1.1，/RD連接到P1.2，/WR連到P1.3，ALE連到P1.4，SJA1000的RX0與TX0分別通過兩個(gè)高速光耦CNW137與PCA82C250相連后，連到CAN總線上。

    PCA82C250為CAN總線收發(fā)器，是CAN控制器與CAN總線的接口器件，對CAN總線差分方式發(fā)送，其RS引腳用于選擇PCA82C250的工作方式：高速方式、斜率方式。RS接地為高速，RS引腳串接一個(gè)電阻后再接地，用于控制上升和下降斜率，從而減小射頻干擾。RS引腳接高電平，PCA82C250處于等待狀態(tài)。此時(shí)，發(fā)送器關(guān)閉，接收器處于低電流工作，可以對CAN總線上的顯性位做出反應(yīng)，通知CPU。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明15～200K為較理想的取值范圍，在這種情況下，可以使用平行線或雙絞線作總線，本文中PCA82C250的斜率電阻為取30K。

    CNW137為高速光耦，最高速度為10Mbps，用于保護(hù)CAN總控制器SJA1000。CAN總線的終端匹配電阻起相當(dāng)重要的作用，不合適的電阻會(huì)使數(shù)據(jù)通信的抗干擾性及可靠性大大降低，甚至無法通信，范圍為108～132Ω，本文使用的電阻為124Ω。

2.1 SJA1000的功能

    CAN通信協(xié)議主要由CAN控制器完成。SJA1000是適用于汽車和一般工業(yè)環(huán)境控制器局域網(wǎng)(CAN)的高集成度獨(dú)立控制器，具有完成高性能通信協(xié)議所要求的全部必要特性，具有簡單總線連接的SJA1000可完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能，應(yīng)用層功能可由微控制器完成，SJA1000為其提供了一個(gè)多用途的接口。

    SJA1000是一個(gè)獨(dú)立的CAN控制器，它是Philips公司另一個(gè)CAN控制器PCA82C200的后繼產(chǎn)品，在軟件和引腳上均與PCA82C200兼容。但它不僅僅是PCA82C200的一個(gè)簡單替代產(chǎn)品，它增加了許多新的功能，使得其性能更佳，尤其適用于對系統(tǒng)優(yōu)化、診斷和維護(hù)要求比較高的場合。

    SJA1000的功能框圖如圖2所示，由以下幾部分構(gòu)成：接口管理邏輯；發(fā)送緩沖器，能夠存儲(chǔ)1個(gè)完整的報(bào)文（擴(kuò)展的或標(biāo)準(zhǔn)的）；驗(yàn)收濾波器；接收FIFO；CAN核心模塊。

2.2 82C250

    SJA1000的一端與單片機(jī)相連，另一端與CAN總線相連。但是，為了提高單片機(jī)對CAN總線的驅(qū)動(dòng)能力，可以把82C250作為CAN控制器和物理總線間的接口，以提供對總線的差動(dòng)發(fā)送能力和對CAN控制器的差動(dòng)接收能力。82C250的主要特性如下：

    ·與ISO/DIS11898標(biāo)準(zhǔn)兼容；

    ·高速(最高可達(dá)1 Mb/s )；

    ·具有抗汽車環(huán)境下的瞬間干擾和保護(hù)總線能力；

    ·降低射頻干擾的斜率控制 ；

    ·熱保護(hù)；

    ·防護(hù)電池與地之間發(fā)生短路 ；

    ·低電流待機(jī)方式；

    ·某個(gè)節(jié)點(diǎn)掉電不會(huì)影響總線 ；

3  CAN通信程序框圖

    SJA1000操作期間，在上電之前必須配置控制線路（中斷、復(fù)位、片選等）用于建立與CAN控制器之間進(jìn)行通信的硬件連接。初始化、CAN通信采用中斷方式數(shù)據(jù)發(fā)送和接收子程序，其流程如圖3、圖4和圖5所示。  

    如果在上電后獨(dú)立CAN控制器在引腳17得到1個(gè)復(fù)位脈沖（低電平），它能夠進(jìn)入復(fù)位模式。在對SJA1000寄存器設(shè)置前，CAN控制器通過讀復(fù)位模式／請求標(biāo)志來檢查是否已達(dá)到復(fù)位模式，因?yàn)橐渲眯畔⒌募拇嫫鲀H在復(fù)位模式才能寫入，涉及對控制寄存器(CR)，驗(yàn)收碼寄存器(ACR )，驗(yàn)收屏蔽寄存器(AMR )，總線定時(shí)寄存器(BTRO和BTR1)和輸出控制寄存器(OCR)的初始化編程。

    時(shí)鐘分頻寄存器，可以選擇BasicCAN或PeliCAN工作模式，設(shè)置CLKOUT管腳使能用來選擇頻率，設(shè)置是否使用旁路CAN輸入比較器和是否使用TX 1輸出被用作專門的接收中斷輸出。

    驗(yàn)收代碼和驗(yàn)收屏蔽寄存器的設(shè)置可以過濾信息，為收到的信息定義驗(yàn)收代碼為和驗(yàn)收代碼相關(guān)位比較定義驗(yàn)收屏蔽代碼。

4  結(jié)論