單片機(jī)和MCP2510的CAN總線通信模塊設(shè)計(jì)

CAN(Controller Area Network)總線，即控制器局域網(wǎng)。由于具有高性能、高可靠性以及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，CAN總線越來越受到人們的重視。德國的Bosch公司最初為汽車監(jiān)控和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了CAN總線，現(xiàn)在，其應(yīng)用已面向過程工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、紡織工業(yè)、農(nóng)用機(jī)械、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械及傳感器等領(lǐng)域發(fā)展。CAN總線已經(jīng)形成國際標(biāo)準(zhǔn)，并已經(jīng)公認(rèn)為是最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。CAN總線規(guī)范已經(jīng)被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制訂為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898，并得到眾多半導(dǎo)體器件廠商的支持，推出各種集成有CAN協(xié)議的產(chǎn)品。CAN總線系統(tǒng)智能節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)上報(bào)文的接收和發(fā)送站，一般由單片機(jī)和CAN控制器或二者合二為一組成。

MCP25l0是Microchip公司生產(chǎn)的一種獨(dú)立的可編程CAN控制器芯片。本文將介紹新型的獨(dú)立CAN通信控制器MCP2510，并給出其在CAN總線系統(tǒng)智能節(jié)點(diǎn)中的應(yīng)用實(shí)例。

1 MCP2510芯片介紹

MCP25lO是一種帶有SPI接口的CAN控制器，DIP封裝如圖1所示。它支持CAN技術(shù)規(guī)范V2.OA/B，能夠發(fā)送或接收標(biāo)準(zhǔn)的和擴(kuò)展的信息幀，同時(shí)具有接收濾波和信息管理的功能。MCP2510通過SI接口與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)5 Mbps，MCU可通過MCP2510與CAN總線上的其他MCU單元通信。MCP2510內(nèi)含3個(gè)發(fā)送緩沖器和2個(gè)接收緩沖器，同時(shí)還具有靈活的中斷管理能力，這些特點(diǎn)使得MCU對(duì)CAN總線的操作變得非常簡(jiǎn)便。

1.1 MCP2510的主要特點(diǎn)

◇支持CANV2.0A/B;

◇具有SPI接口，支持SPI模式0，0和1，1;

◇內(nèi)含3個(gè)發(fā)送緩沖器和2個(gè)接收緩沖器，可對(duì)其優(yōu)先權(quán)進(jìn)行編程;

◇具有6個(gè)接收過濾器，2個(gè)接收過濾器屏蔽;

◇具有靈活的中斷管理能力;

◇采用低功耗CMOS工藝技術(shù)，其工作電壓范圍為3.0～5.5 V，有效電流為5 mA，維持電流為10μA;

◇工作溫度范圍為-40～十125℃。

1.2 結(jié)構(gòu)及工作原理

MCP2510有PDIP、SOIC和TSSOP三種封裝形式。圖2是MCP2510的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。CAN協(xié)議機(jī)負(fù)責(zé)與CAN總線的接口，SPI 接口邏輯用于實(shí)現(xiàn)同MCU的通信，而寄存、緩沖器組與控制邏輯則用來完成各種方式的設(shè)定和操作控制?，F(xiàn)結(jié)合其工作過程將各部分的功能、原理作一介紹。

(1) 收發(fā)操作

MCP251O的發(fā)送操作通過3個(gè)發(fā)送緩沖器來實(shí)現(xiàn)。這3個(gè)發(fā)送緩沖器各占據(jù)14字節(jié)的SRAM。第1字節(jié)是控制寄存器TXBNCTRL，該寄存器用來設(shè)定信息發(fā)送的條件，且給出了信息的發(fā)送狀態(tài);第2～6字節(jié)用來存放標(biāo)準(zhǔn)的和擴(kuò)展的標(biāo)識(shí)符以及仲裁信息;最后8字節(jié)則用來存放待發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。在進(jìn)行發(fā)送前，必須先對(duì)這些寄存器進(jìn)行初始化。

(2) 中斷管理

MCP25lO有8個(gè)中斷源，包括發(fā)送中斷、接收中斷、錯(cuò)誤中斷及總線喚醒中斷等。利用中斷使能寄存器(CANINTE)和中斷屏蔽寄存器 (CANINTF)可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)各種中斷的有效管理。當(dāng)有中斷發(fā)生時(shí)，INT引腳變?yōu)榈碗娖讲⒈３衷诘碗娖剑钡組CU清除中斷為止。

(3) 錯(cuò)誤檢測(cè)

CAN協(xié)議具有CRCF錯(cuò)誤、應(yīng)答錯(cuò)誤、形式錯(cuò)誤、位錯(cuò)誤和填充錯(cuò)誤等檢測(cè)功能。MCP2510內(nèi)含接收出錯(cuò)計(jì)數(shù)器(REC)和發(fā)送出錯(cuò)計(jì)數(shù)器 (TEC)兩個(gè)錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器。因而對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)來說，都有可能因?yàn)殄e(cuò)誤汁數(shù)器的數(shù)值不同而使其處于錯(cuò)誤一激活、錯(cuò)誤一認(rèn)可和總線-脫離3種狀態(tài)之一。

2 MCP2510在智能節(jié)點(diǎn)中的應(yīng)用實(shí)例

利用MCP2510和CAN總線收發(fā)器TJA1050可構(gòu)成一個(gè)CAN總線分布式測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)可包括一個(gè)主控制器和多個(gè)節(jié)點(diǎn)控制器，這種節(jié)點(diǎn)控制器可對(duì)電動(dòng)機(jī)的電流、電壓及周圍的溫度進(jìn)行監(jiān)控，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用了總線式結(jié)構(gòu)和無源抽頭連接，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，因而系統(tǒng)的可靠性較高。其信息傳輸采用CAN通信協(xié)議，通信介質(zhì)采用雙絞線。由于CAN總線是基于發(fā)送報(bào)文的編碼，不對(duì)CAN控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編碼，故系統(tǒng)的可擴(kuò)充性比較好，同時(shí)增刪CAN總線上的控制節(jié)點(diǎn)不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的其余節(jié)點(diǎn)造成任何影響。

節(jié)點(diǎn)控制器的MCU可選用具有SPI接口的微處理器，也可采用不帶SPI接口的微處理器。本系統(tǒng)采用的是不帶SPI接口的微處理器AT89C51。 AT89C51可通過P1口與CAN控制器的SPI接口直接相連，并用軟件算法來實(shí)現(xiàn)SPI接口協(xié)議。CAN總線收發(fā)器TJA1050則作為 MCP25l0與物理總線的接口。如果需要進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，則可在MCP2510和TJAl050之間再加一個(gè)光電隔離器。

智能節(jié)點(diǎn)電路原理圖如圖4所示。

2.1 軟件設(shè)計(jì)

MCP2510正常工作之前，需要進(jìn)行正確的初始化，包括設(shè)置SPI接口的數(shù)據(jù)傳輸速率、CAN通信的波特率、MCP2510的接收過濾器和屏蔽器以及發(fā)送和接收中斷允許標(biāo)志位等。與SJA1000不同的是，單片機(jī)對(duì)MCP2510的接收緩沖器和發(fā)送緩沖器的操作，必須通過SPI接口用 MCP2510內(nèi)置讀寫命令來完成。其讀、寫命令時(shí)序圖如圖5和圖6所示。

本文中MCP2510主要采取中斷模式進(jìn)行總線數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。整個(gè)系統(tǒng)主序提供兩種中斷：定時(shí)器中斷和外部中斷。定時(shí)器中斷的中斷子程序主要負(fù)責(zé)處理來自模擬通道AIN0～AIN7的A/D數(shù)據(jù)，向MCP2510發(fā)送“數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求命令”以及發(fā)送數(shù)據(jù)。外部中斷的中斷處理子程序主要包括CAN總線錯(cuò)誤處理子程序和數(shù)據(jù)接收子程序。

2.2 軟件主體設(shè)計(jì)流程

軟件主體設(shè)計(jì)流程如圖7所示。軟件設(shè)計(jì)時(shí)需要注意以下問題：

①因?yàn)镸CP2510在初始化完成后處于默認(rèn)Config-uration模式下，所以就需要在MCP2510的初始化完后將其置為Normal模式，否則MCP2510將一直停留在Configuration模式下，不能正常進(jìn)行工作。將MCP2510置Normal模式可通過使用MCP2510 內(nèi)置的BitModify(位修改)4指令向CANCTRL控制字寫入一個(gè)0字節(jié)來實(shí)現(xiàn)。

②在對(duì)MCP2510進(jìn)行任何操作之前，都要由微處理器向MCP2510的片選CS輸出一個(gè)低電平，使得MCP2510選通。

③在執(zhí)行MCP2510的“讀”操作時(shí)，發(fā)送完讀指令及其地址碼之后，仍然需要向MCP2510提供時(shí)鐘，以接收“讀”到的數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^向MCP2510發(fā)送一個(gè)0字節(jié)來實(shí)現(xiàn)。

④在對(duì)MCP2510完成任意操作后，都要延時(shí)一段時(shí)間，使其有足夠的時(shí)間來準(zhǔn)備接收下次操作的命令，防止出現(xiàn)MCP2510“忙”的情況。

3 總 結(jié)

CAN總線已被公認(rèn)為是最有前途的幾種現(xiàn)場(chǎng)總線之一。因其性價(jià)比高、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等突出優(yōu)點(diǎn)深受越來越多的研發(fā)人員的青睞。本文的智能節(jié)點(diǎn)可聯(lián)結(jié)多個(gè)集散控制系統(tǒng)，其軟硬件電路的設(shè)計(jì)方法同樣適合于其他基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)汁。