基于CAN總線分布式控制系統(tǒng)智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

前言

現(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。CAN(Controller AreaNetwork)屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，它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)。較之目前許多RS-485基于R線構(gòu)建的分布式控制系統(tǒng)而言，基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)在以下方面具有明顯的優(yōu)越性：

首先，CAN控制器工作于多主方式，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)都可根據(jù)總線訪問(wèn)優(yōu)先權(quán)(取決于報(bào)文標(biāo)識(shí)符)采用無(wú)損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁的方式競(jìng)爭(zhēng)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，且 CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，這可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這些特點(diǎn)使得CAN總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)，并且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。而利用RS-485只能構(gòu)成主從式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通信方式也只能以主站輪詢的方式進(jìn)行，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性較差;

其次，CAN總線通過(guò)CAN控制器接口芯片82C250的兩個(gè)輸出端CANH和CANL與物理總線相連，而CANH端的狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài)，CANL端只能是低電平或懸浮狀態(tài)。這就保證不會(huì)出現(xiàn)象在RS-485網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)系統(tǒng)有錯(cuò)誤，出現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)象。而且CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響，從而保證不會(huì)出現(xiàn)象在網(wǎng)絡(luò)中，因個(gè)別節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題，使得總線處于“死鎖”狀態(tài)。

而且，CAN具有的完善的通信協(xié)議可由CAN控制器芯片及其接口芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而大大降低系統(tǒng)開(kāi)發(fā)難度，縮短了開(kāi)發(fā)周期，這些是只僅僅有電氣協(xié)議的RS- 485所無(wú)法比擬的。另外，與其它現(xiàn)場(chǎng)總線比較而言，CAN總線是具有通信速率高、容易實(shí)現(xiàn)、且性價(jià)比高等諸多特點(diǎn)的一種已形成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線。這些也是目前 CAN總線應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，具有強(qiáng)勁的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要原因。

硬件電路設(shè)計(jì)

CAN遵循ISO的標(biāo)準(zhǔn)模型，分為數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。在工程上，這兩層通常由CAN控制器和收發(fā)器實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)前，市面上有兩種CAN總線器件可供選擇：一種是帶有片上CAN的微控制器，如P8XC591/2、87C196CA/CB、MC68376、PowerPC555等，使用這種集成器件方便用戶制作印制板，電路圖也更緊湊;另外一種是獨(dú)立的CAN控制器，如Philips SJA1000、Intel公司82526以及MCP2510(具有SPI接口，方便MCU連接)等， 使用獨(dú)立的CAN控制器的潛在優(yōu)勢(shì)是，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員可以根據(jù)所需從眾多種類的單片機(jī)中選擇最理想的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

節(jié)點(diǎn)微控制器選用單片機(jī)80C196KC，CAN接口由獨(dú)立控制器SJA1000和CAN控制器接口芯片82C250組成。SJA1000在軟件上和引腳上都是與它的前款PCA82C200獨(dú)立控制器兼容的，并增加了許多新功能：標(biāo)準(zhǔn)幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和擴(kuò)展幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并且這兩種幀格作為式都具有單/雙接收過(guò)濾器;64字節(jié)的接收FIFO;可讀寫(xiě)訪問(wèn)的錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器和錯(cuò)誤限制報(bào)警以及只聽(tīng)方式等等。

SJA1000有兩種工作模式：Basic CAN模式和PeliCAN模式，其中PeliCAN模式全面支持CAN2.0B協(xié)議。SJA1000作為微控制器的片外擴(kuò)展芯片，其片選引腳CS接在微控制器的地址譯碼器上，從而決定了CAN控制器各寄存器的地址。SJA1000通過(guò)CAN控制器接口芯片82C250連接在物理總線上。82C250器件提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送能力和對(duì)CAN控制器的差動(dòng)接受能力，完全和“ISO11898”標(biāo)準(zhǔn)兼容。其引腳8允許選擇三種不同的工作方式：高速、斜率控制和待機(jī)。在低速和總線長(zhǎng)度較短時(shí)，一般采用斜率控制方式，限制上升和下降斜率，降低射頻干擾，斜率可通過(guò)由引腳8至地連接的電阻進(jìn)行控制。斜率正比于引腳8 上的電流輸出。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)抗干擾能力，在CAN控制器SJA1000和CAN控制器接口82C250之間加接6N137光電隔離芯片，并采用DC- DC變換器隔離電源。通信信號(hào)傳輸?shù)綄?dǎo)線的端點(diǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生反射，反射信號(hào)會(huì)干擾正常信號(hào)的傳輸，因而總線兩端接有終端電阻R1、R2，以消除反射信號(hào)，其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。

軟件設(shè)計(jì)

CAN總線節(jié)點(diǎn)要有效、實(shí)時(shí)地完成通信任務(wù)，軟件的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，也是難點(diǎn)。它主要包括節(jié)點(diǎn)初始化程序、報(bào)文發(fā)送程序、報(bào)文接收程序 以及CAN總線出錯(cuò)處理程序等等。CAN控制器芯片SJA1000的內(nèi)部寄存器是以作為微控制器的片外寄存器存在并作用的。微控制器和SJA1000之 間狀態(tài)、控制和命令的交換都是通過(guò)在復(fù)位模式或工作模式下對(duì)這些寄存器的讀寫(xiě)來(lái)完成的。在初始化CAN內(nèi)部寄存器時(shí)注意使得各節(jié)點(diǎn)的位 速率必須一致，而且接、發(fā)雙方必須同步。報(bào)文的接收主要有兩種方式：中斷和查詢接收方式。

為提高通信的實(shí)時(shí)性，文中采用中斷接收方式，而且這樣也可保證接收緩存器不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出現(xiàn)象。SJA1000的Basic CAN工作模式是與其前一款PCA82C200獨(dú)立控制器相兼容的模式， 而PeliCAN工作模式支持CAN協(xié)議中的更多功能，它的程序設(shè)計(jì)也與之有所不同。下面給出SJA1000工作在模PeliCAN式下的節(jié)點(diǎn)初始化、報(bào)文發(fā)送、報(bào)文接收的196匯編源程序。

INITIALIZE： 初始化子程序

LDB AL, #09H; 初始化模式寄存器進(jìn)入復(fù)位模式

STB AL, MODE; 選擇單濾波方式

LDB AL, #88H; 時(shí)鐘分頻器

STB AL, CDR; 選Peli CAN模式

LDB AL, #00H

STB AL, ACR0; 初始化接收代碼寄存器

LDB AL, #60H

STB AL, ACR1

LDB AL, #00H

STB AL, AMR0; 初始化接屏蔽寄存器

LDB AL, #3FH; 只接收標(biāo)識(shí)符為2，3的報(bào)文

STB AL, AMR1

LDB AL, #8FH

STB AL, IER; 中斷使能寄存器

LDB AL, #01H; 總線定時(shí)寄存器0、1的設(shè)置

STB AL, BTR0;

LDB AL, #1CH; 在16MHz晶振情況下

STB AL, BTR1; 波特率設(shè)置為250

LDB AL, #0AAH

STB AL, OCR; 輸出控制器寄存器設(shè)置

LDB AL, #0H; 接收緩存器起始地址設(shè)為0

STB AL, RBSA;

LDB AL, #01H;

ORB AL, MODE;

STB AL, MODE; 返回工作模式

RET TRANSMIT：; 發(fā)送子程序

LDB AL, SR

SRCVE: JBS AL,4, SRCVE;正接收?[!--empirenews.page--]

STRSV: JBC AL,3, STRSV;發(fā)送成功?

STBF: JBC AL, 2, STBF; 發(fā)送緩存器鎖定否

WID: LDB AL, #08H

LD BX, #TXB; 發(fā)送緩存的首址

STB AL,[BX]+; 傳送兩個(gè)字節(jié)的標(biāo)識(shí)符

LDB AL,#ID0

STB AL,[BX]+

LDB AL,#ID1

STB AL,[BX]+

LDB COUT,#08H; 8個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)

TDATA: LDB AL,[DATA]+ CPU內(nèi)的發(fā)送數(shù)據(jù)緩存區(qū)首址

STB AL,[BX]+;

DJNZ COUT,TDATA; 8個(gè)字節(jié)發(fā)完否?

LDB AL,#01H;

STB AL,CMR; 發(fā)送

RET

RECEIVE： ; 接收中斷程序

PUSHF; 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)

LDB AL,IR

JBC AL,0,OTHER; 接收中斷否?

LD BX,#RXB; 接收緩存器首址

LDB AL,[BX]+

JBC AL,6,RCDATA;標(biāo)識(shí)符的RTR=1?

LDB AL,#04H; 是遠(yuǎn)程幀,釋放接收緩存區(qū)

STB AL,CMR;

LCALL TRANSMIT; 相應(yīng)遠(yuǎn)程幀,發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)

SJMP BACK

RCDATA：

ANDB AL,#0FH; 取低四位數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

ADDB AL,#03H;

STB AL,R1; 該報(bào)文含有的字節(jié)數(shù)

LD BX,#RXB; 接收緩存器的首地址

LD CX,#CRBF; CPU內(nèi)的接收數(shù)據(jù)緩存區(qū)首址

RECE：

LDB AL,[BX]+

STB AL,[CX]+

INCB R1

DJNZ R1,RECE; 接收完否?

LDB AL,#04H

STB AL,CMR; 釋放接收緩存區(qū)

BACK;

POPF

RET

結(jié)語(yǔ)

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。因其高性能價(jià)格比、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等突出優(yōu)點(diǎn)深得越來(lái)越多的研發(fā)人員的青睞。