技術(shù)頻道

      基于C8051F040的CAN總線智能節(jié)點的設(shè)計

      控制器局域網(wǎng)CAN(Controller Aera Network)是德國Bosch公司在80年代初為解決現(xiàn)代汽車中大量的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而提出的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。他是多主總線,通信介質(zhì)可以是雙絞線,通信速率可達(dá)1M/s,最遠(yuǎn)通信距離可達(dá)10km。CAN具有極高的可靠性,高實時性特點特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互連,已被公認(rèn)是最有前途的現(xiàn)場總線之一。CAN總線的高速采集系統(tǒng)具備DCS(分布式控制系統(tǒng))的主要特征,可代替DCS。

      Cygnal公司的51系列單片機C8051F040是集成在一塊芯片上的混合信號系統(tǒng)級單片機,在一個芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個單片機數(shù)據(jù)采集或控制的智能節(jié)點所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)以及其他功能部件,代表了目前8位單片機控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。芯片上有1個12位多通道ADC,2個12位DAC,2個電壓比較器,1個電壓基準(zhǔn),1個32kB的FLASH存儲器,與MCS-51指令集完全兼容的高速CIP-51內(nèi)核,峰值速度可達(dá)25MIPS,并且還有硬件實現(xiàn)的UART串行接口和完全支持CAN2.0A和CAN2.0B的CAN控制器。本文將介紹帶有在片CAN的Cygnal公司的混合信號片上系統(tǒng)(SoC)級單片機C8051F040作為微處理器的CAN智能節(jié)點設(shè)計的硬件和軟件方案。

      1 典型C8051F404的CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

      典型C8051F404的CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。一個典型的CAN節(jié)點由帶有CAN控制器的微處理器和CAN收發(fā)器構(gòu)成。CAN收發(fā)器建立CAN控制器和物理總線之間的連接,控制邏輯電平信號從CAN控制器到達(dá)物理總線的物理層,反之也一樣。CAN控制器執(zhí)行CAN協(xié)議,用于信息緩沖和濾波。F040的CAN控制器支持完全的CAN2.0A和CAN2.0B。

      上位機通過CAN適配卡與各個CAN節(jié)點通訊。在應(yīng)用中,上位機可以發(fā)送命令到節(jié)點,收集數(shù)據(jù),修改過程參數(shù),各節(jié)點可以將采集到的數(shù)據(jù)送到上位機進行復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算或是保存打印,實現(xiàn)更加優(yōu)越的信息處理功能。

      2 C8051F040的CAN控制器結(jié)構(gòu)

      F040的所有CAN協(xié)議功能都由獨立的CAN控制器而不是由51處理器來完成。因此,CAN通信占用CPU帶寬很小,51處理器只需要通過特殊功能寄存器(SFR)配置CAN控制器,數(shù)據(jù)過濾器就可以了。

      2.1 CAN控制器各部分功能

      CAN Core:CAN協(xié)議控制器和發(fā)送/接收轉(zhuǎn)換寄存器;

      Message RAM:存儲Message Objects和標(biāo)志碼,CAN控制器共有32個Message Object可供配置來用于發(fā)送或接收數(shù)據(jù);

      Registers:用于控制和配置C_CAN模塊的所有寄存器;

      Message Handler:控制數(shù)據(jù)在CAN Core的接收/發(fā)送轉(zhuǎn)換寄存器和Message Object之間的傳輸,以及中斷的產(chǎn)生。

      2.2 CAN寄存器分類

      CAN寄存器可分為以下4類:

      (1)CAN控制器協(xié)議寄存器:用于CAN控制、中斷、錯誤控制、總線狀態(tài)控制和測試模塊;

      (2)信息目標(biāo)(Message Object)接口寄存器:配置32個信息目標(biāo)(Msg Obj),從目標(biāo)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。8051處理器通過他來讀寫CAN Message RAM;

      (3)信息處理寄存器:只讀寄存器。為51CPU提供信息目標(biāo)的狀態(tài),如信息有效標(biāo)志,發(fā)送請求狀態(tài),新數(shù)據(jù)標(biāo)志和中斷標(biāo)志;

      (4)C8051處理器特殊功能寄存器(SFR):C8051處理器控制的5個寄存器,直接讀寫CAN協(xié)議寄存器,通過CAN數(shù)據(jù)寄存器(CAN0DATH和CAN0DATL)和CAN地址寄存器(CAN0ADR)間接讀寫其他CAN控制器。

      3 CAN節(jié)點的硬件設(shè)計

      設(shè)計采用的接口芯片使用TI公司的3.3VCAN收發(fā)器SN65HVD230,他與PCA82C250的引腳兼容。SN65HVD230有3種工作模式:高速,傾斜和低功耗模式,由Rs腳的連接方式來確定。由于F040自帶了CAN控制器,外圍電路極為簡潔。

      4 CAN通訊軟件設(shè)計

      為避免51 CPU讀寫Message RAM與CAN 信息收發(fā)之間產(chǎn)生沖突,CPU不直接讀寫Message Object,而是通過專門的寄存器(IFx Interface Registers)來配置信息目標(biāo)。

      一個完整的信息目標(biāo)的結(jié)構(gòu)如表1所示。

      CAN通訊協(xié)議的最大特點之一就是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼,而使用信息塊標(biāo)志碼。ID28-0,Xtd和Dir用來定義信息標(biāo)志碼,以及定義即將發(fā)送數(shù)據(jù)幀的類型(遠(yuǎn)程幀或標(biāo)準(zhǔn)幀),并且與Mask28-0,MXtd和Mdir一起用來作為將要接收數(shù)據(jù)幀的過濾器。一個已接收到的信息被放在有效的(MsgVal=1)、具有匹配標(biāo)志碼的Message Object里。只有當(dāng)Xtd=1時,遠(yuǎn)程幀才被放入Message Object,Xtd=0時,標(biāo)準(zhǔn)幀被放入Message Object。當(dāng)多于一個的有效Message object與收到的信息匹配,則該條信息被放入號碼最小的Message object里。Data0-Data7是8個數(shù)據(jù)字節(jié)。CAN通訊初始化和法數(shù)據(jù)幀的軟件流程如圖4所示。

      CAN通訊軟件設(shè)計主要包括3個模塊:CAN通訊初始化、接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)模塊。信息目標(biāo)的初始化程序代碼(C語言)如下:

      當(dāng)微處理器接收數(shù)據(jù)采用中斷方式,接收Message Object初始化時將RxIE位置1。當(dāng)程序進入到CAN中斷服務(wù)子程序時,先判斷CAN狀態(tài)寄存器的RxOK位是否已置位,若已置位,則說明CAN控制器已經(jīng)成功接收到一個數(shù)據(jù)幀(因為CAN通訊有多個中斷源,而中斷向量只有一個),這時再調(diào)用相應(yīng)的函數(shù),取出數(shù)據(jù)幀中有用的字節(jié)進行處理或執(zhí)行相應(yīng)的操作。源程序代碼如下:


      5 結(jié)語

      C8051F040是完全集成的混合信號系統(tǒng)級單片機,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。他不但集成了構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)的常用外設(shè),而且還集成了高可靠性、高性能的CAN總線控制模塊。本文使用該芯片設(shè)計的CAN節(jié)點模塊集成度高、性能穩(wěn)定,實時性好、軟件設(shè)計簡潔,在工業(yè)生產(chǎn)和儀器開發(fā)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。本文給出的硬件和軟件設(shè)計方案均已通過實際測試,并成功運用于大洋協(xié)會“十五”攻關(guān)項目:小型底棲生物標(biāo)本自動分離系統(tǒng)的通訊模式中。

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