基于凌陽8位通用型工控單片機(jī)的CAN總線智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計

1CAN總線概述

CAN, 全稱為“Controller Area Network”，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。20世紀(jì)80年代初，德國Bosch公司為了解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀表之間的數(shù)據(jù)交換問題，開發(fā)出 CAN總線。CAN總線能有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，具有抗干擾性強(qiáng)和使用可靠等優(yōu)點(diǎn)，最初主要應(yīng)用汽車工業(yè)，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、航空工業(yè)和工業(yè)控制等自動化領(lǐng)域，如分布式環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、變電站變監(jiān)測系統(tǒng)等。

CAN總線是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，其通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對數(shù)據(jù)的成幀處理，用戶可在其基礎(chǔ)上開發(fā)適應(yīng)系統(tǒng)實(shí)際需要的應(yīng)用層通信協(xié)議。CAN協(xié)議的一個最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊編碼，采用這種方法可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)個數(shù)在理論上不受限制，還可使不同的節(jié)點(diǎn)同時收到相同的數(shù)據(jù)。

CAN總線提供高速數(shù)據(jù)傳送, 在短距離(40m)條件下具有高速(1Mbit/s)數(shù)據(jù)傳輸能力，而在最大距離10000m時具有低速(5kbits/s)傳輸能力，極適合在高速的工業(yè)自控應(yīng)用上，CAN總線可在同一網(wǎng)絡(luò)上連接多種不同功能的傳感器(如位置,溫度或壓力等)。

CAN總線的其他特點(diǎn)如下：

(1)它是一種多主總線，即每個節(jié)點(diǎn)機(jī)均可成為主機(jī)，且節(jié)點(diǎn)機(jī)之間也可進(jìn)行通信;

(2)通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維，通信速率可達(dá)1Mbps;

(3)數(shù)據(jù)段長度最多為8個字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令，工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時，8個字節(jié)不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實(shí)時性;

(4)CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應(yīng)的錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。

CAN可以以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意節(jié)點(diǎn)均可以在任意時刻主動地向總線上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播幾種方式發(fā)送接收數(shù)據(jù);CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個節(jié)點(diǎn)同時向總線上發(fā)送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點(diǎn)主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)省了總線沖突仲裁時間。

圖1-1為一個CAN總線應(yīng)用系統(tǒng)，主要有主機(jī)和各節(jié)點(diǎn)組成，主機(jī)和節(jié)點(diǎn)之間通過CAN收發(fā)器及CAN控制器相連，單個節(jié)點(diǎn)包括一個單片機(jī)控制器、一個CAN收發(fā)器和一個CAN控制器。其中一個典型的應(yīng)用是：主機(jī)接收各節(jié)點(diǎn)發(fā)送的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，如現(xiàn)場溫度、電流或壓力等參數(shù)，主機(jī)經(jīng)過綜合計算、判斷作出相應(yīng)的控制命令，這些命令將通過CAN總線傳送至各節(jié)點(diǎn)。各節(jié)點(diǎn)由單片機(jī)作為控制器，它用于采集現(xiàn)場的各項參數(shù)，并執(zhí)行主機(jī)發(fā)送的各項命令，這些命令將最終傳送至各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如閥門、電機(jī)或泵等.

圖1-1 CAN總線應(yīng)用系統(tǒng)

本文將介紹基于凌陽8位通用型工控單片機(jī)的CAN總線智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計。本文將闡述智能節(jié)點(diǎn)中的主控器SPMC65P2404A在本方案中的應(yīng)用特點(diǎn)，及主控器與CAN總線控制器之間的通信。

2 芯片特性簡介

SPMC65P2404A是凌陽推出的8位工業(yè)控制單片機(jī)，最高工作頻率為8MHz，工作電壓3.0V~5.0V，有192字節(jié)的RAM和4K字節(jié)的OTP ROM，具備23個可編程IO口，內(nèi)置上/下拉電阻，8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器(100KHz)，SPMC65P2404其他特性包括：

◆凌陽科技8位單片機(jī)　　　　☉182條指令　　　　☉11種尋址模式　　　　☉支持位操作(Set,Clear,Inverse,Test)

◆2個8位可編程定時器/計數(shù)器(可自動預(yù)置初始計數(shù)值)　　　　☉普通的定時/計數(shù)器　　　　☉具有8位捕獲功能　　　　☉具有8位比較功能

◆2個16位可編程定時器/計數(shù)器(可自動預(yù)置初始計數(shù)值)　　　　☉普通的定時/計數(shù)器　　　　☉具有8或16位捕獲功能　　　　☉具有16位比較功能　　　　☉12位PWM輸出

◆中斷方式　　　　☉支持IRQ和NMI中斷　　　　☉4種外部中斷　　　　☉12種內(nèi)部中斷

◆具有SPI總線：最高通信速率為2Mbps

◆5種復(fù)位功能：上電復(fù)位、低電壓復(fù)位、看門狗復(fù)位、外部復(fù)位及錯誤地址復(fù)位

◆支持3種時鐘電路：晶體振蕩器、RC振蕩、外部信號

◆2種低功耗模式：Halt模式和STop模式

◆一個蜂鳴器驅(qū)動輸出口

3 智能節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計

在工業(yè)控制中，通常需要進(jìn)行電壓、電流、溫度等信號的實(shí)時采集、可靠傳輸和實(shí)時顯示，實(shí)現(xiàn)了PC端對CAN智能節(jié)點(diǎn)的有效控制。為了達(dá)到工業(yè)控制上這些控制要求，CAN總線上的節(jié)點(diǎn)通常需要有微控器作為節(jié)點(diǎn)的主控器。主控器完成現(xiàn)場各項參數(shù)的采集、響應(yīng)相關(guān)的外部事件、接受外部按鍵命令、產(chǎn)生驅(qū)動信號、顯示相關(guān)參數(shù)及與CAN總線控制器通信。圖3-1為SPMC65P2404A作為節(jié)點(diǎn)控制器，各個部件的連接示意圖。

圖 3-1 智能節(jié)點(diǎn)示意圖

數(shù)據(jù)采集部件：

在工業(yè)控制現(xiàn)場，通常會有各類傳感器，如電流互感器、溫度傳感器、壓力傳感器等，將現(xiàn)場的電流、溫度及壓力等參數(shù)轉(zhuǎn)化為模擬電信號，這些模擬信號輸入MCU中的A/D轉(zhuǎn)換器，最終得到可傳輸?shù)臄?shù)字信號。SPMC65P2404A具有8通道10位精度的A/D轉(zhuǎn)換器，并可以選擇內(nèi)部或外部參考電壓，能夠滿足多通道、高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換。

現(xiàn)場人機(jī)交互部件：

人機(jī)交互部件可以實(shí)現(xiàn)工作人員在現(xiàn)場對某個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行操作控制，人機(jī)交互部件包括鍵盤、紅外遙控器、LED或LCD顯示。比如，顯示模塊可以實(shí)時顯示現(xiàn)場參數(shù)，工作人員操作鍵盤或遙控器上的某些按鍵，可以啟動電機(jī)或電閥門等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)設(shè)定的效果。SPMC65P2404A具有多組捕獲功能，使用捕獲功能，可以很方便的實(shí)現(xiàn)紅外信號解碼。

快速響應(yīng)外部突發(fā)事件：

在工業(yè)控制現(xiàn)場，突發(fā)事件保護(hù)機(jī)制非常重要。對現(xiàn)場的突發(fā)事件實(shí)行快速響應(yīng)，并做出保護(hù)動作將使控制現(xiàn)場更安全。在節(jié)點(diǎn)設(shè)計中，可以使用MCU快速響應(yīng)外部中斷，在MCU的中斷程序中，切斷驅(qū)動信號的輸出。SPMC65P2404A能夠響應(yīng)4個外部中斷，并且每個外部中斷可以設(shè)定為非屏蔽中斷或屏蔽中斷。

產(chǎn)生執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動信號：

工業(yè)控制現(xiàn)場會有多種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如電機(jī)、電閥門等，正對各種每種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，MCU會輸出相應(yīng)的驅(qū)動信號，以控制這些機(jī)構(gòu)。SPMC65P2404A具有2路12位的PWM輸出能力，有2路比較輸出功能，同時，每個I/O口都具備驅(qū)動LED的能力。利用SPMC65P2404A的這些功能，并配合相應(yīng)的驅(qū)動電路，就可以有效控制電機(jī)、電閥門等。

節(jié)點(diǎn)通信連接：

在智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計中，需要使用CAN控制器及CAN收發(fā)器，作為主控器與CAN總線之間的連接媒介。本智能節(jié)點(diǎn)使用MCP2510作為CAN控制器和PCA82C250作為CAN收發(fā)器。它們之間的連接是：MCU主控器通過SPI總線與CAN控制器通信，CAN控制器通過光電隔離器件與CAN收發(fā)器連接。SPMC65P2404A內(nèi)部集成SPI總線，SPI總線支持全雙工同步傳輸，具有主、從兩種模式，最高通信速率為2Mbps。CAN控制器MCP2510也具備SPI總線。

4 智能節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

智能節(jié)點(diǎn)程序包括主程序和中斷程序兩部分，主程序處理常規(guī)的數(shù)據(jù)采集及控制操作，中斷程序則處理異常事件及紅外信號解碼。