C8051F040在基于CAN總線的分布式測控系統(tǒng)中的應用

    摘要：CYGNAL生產(chǎn)的單片機C8051F040是代表８位單片機發(fā)展方向的高速（25M）混合信號系統(tǒng)級芯片（SOC）它不僅集成了一般測控系統(tǒng)需要的外設，而且集成了很有發(fā)展前景的現(xiàn)場總線—CAN總線控制器，文中對該芯片中的CAN控制器結(jié)構(gòu)作了分析，并給出了在分布式測控系統(tǒng)中使用該芯片的智能節(jié)點的硬件、軟件設計方案。

    關(guān)鍵詞：C8051F040；CAN總線；分布式；測控節(jié)點

１　概述

分布式在線測控系統(tǒng)是由多個面向設備的、以ＭＣＵ為核心的智能處理單元和多個并行運行且具有不同監(jiān)測和故障診斷功能的微機構(gòu)成的。該系統(tǒng)采取“分治”的設計思想?它將數(shù)據(jù)采集以及部分數(shù)據(jù)處理任務交給設備層的智能處理單元去完成?而監(jiān)測診斷層主要負責監(jiān)視和故障診斷。分布式測控系統(tǒng)設計均應考慮各個節(jié)點之間的通信問題?因為通信網(wǎng)絡的選取對系統(tǒng)性能有很大影響。 國內(nèi)已開展了基于現(xiàn)場總線的在線測控系統(tǒng)的研究?并利用ＣＡＮ總線實現(xiàn)設備層的檢測處理、單元間的通信以及與上層監(jiān)測主機的通信。ＣＡＮ總線就是一種支持分布式實時控制系統(tǒng)的串行通信局域網(wǎng)絡總線。它的主要特點如下:

●任一個節(jié)點均可在任一時刻主動向網(wǎng)絡上的其它節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù),而從不分主從,因此，通信比較靈活;

●節(jié)點可分為不同的優(yōu)先級,可以滿足不同的實時要求;

●采用非破壞性總線仲裁,當兩節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時,優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送?而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)；

●通信距離最遠可達１０ｋｍ，通信最高速率可達１Ｍｂｐｓ?

●每幀數(shù)據(jù)的有效字節(jié)數(shù)為８，因此，可保證很短的傳輸時間，而且實時性強，受干擾的概率低；

    ●每幀數(shù)據(jù)都含有ＣＲＣ（循環(huán)冗余）校驗及其它校驗措施，因而數(shù)據(jù)出錯率很低；

●ＣＡＮ總線節(jié)點在嚴重錯誤的情況下，可自動切斷與總線的聯(lián)系，以使總線上的其它操作不受影響。

目前，ＣＡＮ總線協(xié)議以其可靠性高、實時性好以及獨特的設計已經(jīng)成為總線通信網(wǎng)絡的首選?國內(nèi)目前使用較廣的是ＰＨＩＬＩＰＳ 生產(chǎn)的ＳＪＡ１０００ 、８２Ｃ２００等獨立的ＣＡＮ控制器，由于這種獨立的控制器限制了測控節(jié)點的集成度，因此，很多微處理器生產(chǎn)廠家已經(jīng)開始生產(chǎn)內(nèi)部集成有ＣＡＮ控制器的ＭＣＵ。美國ＣＹＧＮＡＬ公司生產(chǎn)Ｃ８０５１Ｆ０４０就是內(nèi)部集成有ＢＯＳＣＨ ＣＡＮ控制器的混合信號系統(tǒng)級芯片（ＳＯＣ）。本文將分析Ｃ８０５１Ｆ０４０ 的ＣＡＮ總線結(jié)構(gòu)、與ＣＰＵ 的接口及初始化配置，同時將給出基于Ｃ８０５１Ｆ０４０的分布式測控節(jié)點的設計及系統(tǒng)的實現(xiàn)框架。

２ Ｃ８０５１Ｆ０４０及其內(nèi)部ＢＯＴＳＨ ＣＡＮ

Ｃｙｇｎａｌ公司的單片機Ｃ８０５１Ｆ０４０具有與８０５１指令集完全兼容的ＣＩＰ－５１內(nèi)核。它的最高頻率可達２５ＭＨｚ?內(nèi)置６４ｋＢ ＦＬＡＳＨ ＲＡＭ和４ｋＢ的數(shù)據(jù)存儲器。Ｃ８０５１Ｆ０４０在一個芯片內(nèi)集成了構(gòu)成單片機數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設及其它功能部件，包括ＡＤＣ、可編程增益放大器、ＤＡＣ、電壓比較器、溫度傳感器、ＳＭＢｕｓ／Ｉ２Ｃ、ＵＡＲＴ、ＳＰＩ、定時器、內(nèi)部振蕩器、看門狗電路以及ＣＡＮ 控制器等，這種高度集成為設計小體積、低功耗、高可靠和高性能的測控系統(tǒng)提供了方便，同時也使測控設備整體成本能夠降低。

Ｃ８０５１Ｆ０４０內(nèi)部集成有ＢＯＴＳＨ ＣＡＮ，它兼容ＣＡＮ技術(shù)規(guī)范２．０Ａ和２．０Ｂ，主要由ＣＡＮ內(nèi)核、消息ＲＡＭ（獨立于ＣＩＰ－５１的ＲＡＭ）、消息處理單元和控制寄存器組成，圖１所示是Ｃ８０５１Ｆ０４０內(nèi)部的ＣＡＮ總線結(jié)構(gòu)圖。

    圖１中，ＣＡＮ內(nèi)核由ＣＡＮ協(xié)議控制器和負責消息收發(fā)的串行／并行轉(zhuǎn)換ＲＸ／ＴＸ移位寄存器組成。消息ＲＡＭ用于存儲消息目標和每個目標的仲裁掩碼。這種ＣＡＮ處理器有３２個隨意配置為發(fā)送和接受的消息目標?并且每一個消息目標都有它自己的識別掩碼，所有的數(shù)據(jù)傳輸和接收濾波都是由ＣＡＮ控制器完成的，而不是由ＣＩＰ－５１來完成。

ＣＡＮ內(nèi)部寄存器中存儲了所有ＣＡＮ的控制和配置信息，其中包括控制寄存器、狀態(tài)寄存器、設置波特率的位定時寄存器 、測試寄存器、錯誤計數(shù)器和消息接口寄存器。通常ＣＡＮ內(nèi)核不能直接訪問消息ＲＡＭ，而必須通過接口寄存器ＩＦ１或ＩＦ２來訪問。另外，ＣＩＰ－５１的ＳＦＲ并不能直接訪問ＣＡＮ內(nèi)部寄存器的所有單元，其配置ＣＡＮ、消息目標、讀?。茫粒螤顟B(tài)以及獲取接收數(shù)據(jù)、傳遞發(fā)送數(shù)據(jù)都由ＳＦＲ中的６個特殊寄存器來完成，其中ＣＡＮ０ＣＮ、ＣＡＮ０ＴＳＴ和ＣＡＮ０ＳＴＡ ３個寄存器可直接獲取或修改ＣＡＮ 控制器中對應的寄存器，而ＣＡＮ０ＤＡＴＨ、ＣＡＮ０ＤＡＴＬ、ＣＡＮ０ＡＤＲ ３個寄存器主要用來訪問修改其它不能直接訪問的ＣＡＮ 內(nèi)部寄存器，其中ＣＡＮ０ＡＤＲ用來指出要訪問寄存器的地址，ＣＡＮ０ＤＡＴＨ、ＣＡＮ０ＤＡＴＬ這時就相當于要訪問的１６位寄存器的高、低字節(jié)的映射寄存器，而對它們的讀寫則相當于對所指向寄存器的讀寫。圖２給出了ＣＩＰ－５１如何訪問ＣＡＮ中控制寄存器和每個消息的路徑圖。

消息處理單元用于根據(jù)寄存器中的信息來控制ＣＡＮ內(nèi)核中移位寄存器和消息ＲＡＭ 之間的數(shù)據(jù)傳遞，同時，它還可用來管理中斷的產(chǎn)生。

３　基于Ｃ８０５１Ｆ０４０的智能系統(tǒng)設計

３．１ 硬件設計

工業(yè)測控現(xiàn)場通常存在著大量的傳感器、執(zhí)行機構(gòu)和電子控制單元，它們一般分布較廣，而且對實時性要求也很高，圖３是基于ＣＡＮ總線的分布式測控系統(tǒng)框圖。該系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線式集散系統(tǒng)ＦＤＣＳ?Ｆｉｅｌｄ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ?結(jié)構(gòu)，它由主控站（注：ＣＡＮ總線各節(jié)點并不分主從 ?這里是針對特定的系統(tǒng)而言）、Ｃ８０５１Ｆ０４０為ＭＣＵ的智能節(jié)點并配以ＣＡＮ現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡構(gòu)成。主控站主要完成對各節(jié)點的在線監(jiān)控以及對各節(jié)點返回信息的分析處理，并對節(jié)點發(fā)出控制命令以控制節(jié)點工作模式。智能節(jié)點則根據(jù)主控站命令來完成數(shù)據(jù)采集、運行顯示以及對執(zhí)行部件的控制，以及各節(jié)點與主站、節(jié)點與節(jié)點之間的實時數(shù)據(jù)交換和信息控制。

圖４是一個以Ｃ８０５１Ｆ０４０為核心的智能節(jié)點設計原理圖。

圖中，Ｃ８０５１Ｆ０４０的６、７腳分別為ＣＡＮＲＸ和ＣＡＮＴＸ引腳，ＣＡＮ的輸出輸入必須加總線收發(fā)器才能與ＣＡＮ物理總線相連。本系統(tǒng)采用了ＴＪＡ１０５０高速ＣＡＮ收發(fā)器來替代傳統(tǒng)的ＰＣＡ８２Ｃ２５０收發(fā)器，ＴＪＡ１０５０芯片具有電磁輻射低、防短路、不上電時對總線無影響等特點，它的８腳Ｓ可以選擇高速或靜音兩種模式，并可由Ｃ８０５１Ｆ０４０的Ｐ４．０控制。為了增加ＣＡＮ 節(jié)點的抗干擾能力，將ＣＡＮ引腳通過高速光耦６Ｎ１３７與總線收發(fā)器相連，可實現(xiàn)各節(jié)點之間的電氣隔離。電源的隔離可以采用小功率電源隔離模塊，也可以用帶多個５Ｖ隔離輸出的開關(guān)電源模塊。這樣能大大提高節(jié)點的穩(wěn)定性和可靠性，但可能會增加節(jié)點的硬件復雜性。

３．２ 節(jié)點軟件設計

對于一個實際的測控系統(tǒng)，其節(jié)點軟件是比較復雜的，但由于Ｃ８０５１Ｆ０４０具有與８０５１指令完全兼容的ＣＩＰ－５１內(nèi)核，所以，對于有使用５１系列單片機經(jīng)驗的人來說，這并沒有太大的難度，下面主要介紹Ｃ８０５１Ｆ０４０內(nèi)置ＣＡＮ的軟件設計。

如果需要某一節(jié)點將Ａ／Ｄ采樣值通過ＣＡＮ總線送到主控站（地址０１Ｈ），且配置系統(tǒng)時設定的工作頻率為２５ＭＨｚ?ＣＡＮＴＸ引腳設為推挽方式，那么在初始化過程中，波特率應配置為１６０ｋｂｐｓ，消息目標禁止不用，配置消息目標２為接收時的程序代碼如下：

ＣＡＮ_ＩＮＩＴ：

ＭＯＶ ＳＦＲＰＡＧＥ，＃０１Ｈ

ＯＲＬ ＣＡＮ０ＣＮ，＃４１Ｈ ；設ＩＮＩＴ位為１， ＣＣＥ為１

； 配置波特率

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＡＤＲ，＃０３Ｈ

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＨ，＃７ＦＨ

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃０５Ｈ

；禁止不用的消息目標（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的命令掩碼寄存器

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃０Ａ０Ｈ ?； 方向為寫，改變仲裁位

ＭＯＶ Ｒ１，＃２０Ｈ

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＡＤＲ， ＃０８Ｈ ；指向ＩＦ１的命令寄存器

ＥＮＡＢＬＥ_ＭＥＳＳＡＧＥ_ＯＢＪＥＣＴＳ：

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，Ｒ１ ；寫Ｒ１指向的消息目標

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＡＤＲ， ＃０８Ｈ ；指向ＩＦ１的命令寄存器

ＷＡＩＴ_ＴＲＡＮＳＦＥＲ_ＯＶＥＲ?

ＭＯＶ Ａ，ＣＡＮ０ＤＡＴＨ ?；讀命令寄存器

ＪＢ ＡＣＣ．７，ＷＡＩＴ_ＴＲＡＮＳＦＥＲ_ＯＶＥＲ

ＤＥＣ Ｒ１

ＣＪＮＥ Ｒ１，＃０２Ｈ，ＥＮＡＢＬＥ_ＭＥＳＳＡＧＥ_ＢＪＥＣＴＳ

；配置消息目標２為接收

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＡＤＲ，＃２１Ｈ

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃１１１１１０００Ｂ?； 寫ＩＦ２命令掩碼

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＨ，＃００Ｈ

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃００Ｈ ?；寫ＩＦ２掩碼１

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＨ，＃００Ｈ

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃００Ｈ ?； 寫ＩＦ２掩碼２

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃００Ｈ ?； 寫ＩＦ２仲裁寄存器１

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＨ，＃８０Ｈ ?； 寫ＩＦ２仲裁寄存器２高８位

消息目標有效，標準仲裁幀，方向為接收

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃００Ｈ ?； 寫ＩＦ２仲裁寄存器２低８位

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＨ，＃０００１０１００Ｂ?； 寫ＩＦ２控制寄存器高位

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃８０Ｈ ?； 寫ＩＦ２控制寄存器低位

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＡＤＲ， ＃２０Ｈ

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ， ＃０２Ｈ ?； 通過ＩＦ２寫２號消息目標

ＷＡＩＴ_ＴＲＡＮＳＦＥＲ_ＯＶＥＲ１；

ＭＯＶ Ａ，ＣＡＮ０ＤＡＴＨ ； 讀命令寄存器

ＪＢ ＡＣＣ．７，ＷＡＩＴ_ＴＲＡＮＳＦＥＲ_ＯＶＥＲ１

; 等待寫結(jié)束

;ＣＡＮ進入操作模式

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＣＮ,＃００００００１０Ｂ ； ＣＡＮ進入正常操作模式狀態(tài)中斷使能，

ＲＥＴ

發(fā)送過程是將存儲在從ＢＵＦ０起始地址中的２個字節(jié)的Ａ／Ｄ采樣數(shù)據(jù)，通過ＩＦ１傳送到消息目標１的過程。其啟動發(fā)送程序代碼如下：

ＳＥＮＤ_ＡＤ_ＤＡＴＡ：

ＭＯＶ ＳＦＲＰＡＧＥ， ＃０１Ｈ

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＡＤＲ， ＃０９Ｈ

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃１０１１０１１１Ｂ

； 寫ＩＦ１命令掩碼寄存器

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＡＤＲ， ＃０ＤＨ

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＨ，＃１０１０００００Ｂ ；使用１１位標準仲幀

    ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃０４Ｈ ；寫ＩＦ１仲裁寄存器２，發(fā)送對象的地址０１因標準幀使用高１１位，所以地址要左移２位指向控制寄存器

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＨ，＃００００１００１Ｂ ； 寫ＩＦ１控制寄存器高８位，傳輸中斷使能，置傳輸請求位

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃０ＢＨ ?； 寫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 ?； 寫ＩＦ１數(shù)據(jù)０

ＩＮＣ ＤＰＴＲ

ＭＯＶＸ Ａ，＠ＤＰＴＲ

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＡＤＲ，＃０ＦＨ

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＨ，Ａ ?； 寫ＩＦ１數(shù)據(jù)１

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＡＤＲ， ＃０８Ｈ

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃０１Ｈ ?；傳遞到目標１及啟動發(fā)送

ＲＥＴ

４　結(jié)束語

Ｃｙｇｎａｌ公司的單片機Ｃ８０５１Ｆ０４０是一種完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片(ＳＯＣ)，它具有與８０５１指令集完全兼容的ＣＩＰ－５１內(nèi)核?代表了８位單片機的發(fā)展方向。它不僅集成有構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)常用的外設，而且集成了逐漸成為控制領域首選的高可靠性、高性能Ｃ８０５１Ｆ０４０ ＣＡＮ總線;本文使用該芯片設計的測控系統(tǒng)智能節(jié)點具有集成度高、性能穩(wěn)定等特點。由于Ｃ８０５１Ｆ０４０可達到２５ＭＨｚ工作頻率，因而可提高系統(tǒng)實時性。此外，由于ＢＯＴＳＣＨ ＣＡＮ內(nèi)有３２個自帶掩碼消息目標的特殊設計，因此，用其進行分布式在線測控系統(tǒng)節(jié)點之間的相互數(shù)據(jù)傳遞設計將更為簡單。