基于C8051F040的CAN總線智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

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(shí)時(shí)性特點(diǎn)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(jī)C8051F040是集成在一塊芯片上的混合信號系統(tǒng)級單片機(jī)，在一個(gè)芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制的智能節(jié)點(diǎn)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(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。芯片上有1個(gè)12位多通道ADC，2個(gè)12位DAC，2個(gè)電壓比較器，1個(gè)電壓基準(zhǔn)，1個(gè)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(shí)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(jī)C8051F040作為微處理器的CAN智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)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(gè)典型的CAN節(jié)點(diǎn)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(jī)通過CAN適配卡與各個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)通訊。在應(yīng)用中，上位機(jī)可以發(fā)送命令到節(jié)點(diǎn)，收集數(shù)據(jù)，修改過程參數(shù)，各節(jié)點(diǎn)可以將采集到的數(shù)據(jù)送到上位機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算或是保存打印，實(shí)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(dú)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(gè)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(cuò)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(gè)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(gè)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(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)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(jì)

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(gè)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(diǎn)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(gè)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(shí)，遠(yuǎn)程幀才被放入Message Object，Xtd＝0時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)幀被放入Message Object。當(dāng)多于一個(gè)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(gè)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(jì)主要包括3個(gè)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(shí)將RxIE位置1。當(dāng)程序進(jìn)入到CAN中斷服務(wù)子程序時(shí)，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(gè)數(shù)據(jù)幀（因?yàn)镃AN通訊有多個(gè)中斷源，而中斷向量只有一個(gè)），這時(shí)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(jìn)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(jī)，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(jī)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(jì)的CAN節(jié)點(diǎn)模塊集成度高、性能穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性好、軟件設(shè)計(jì)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(jì)方案均已通過實(shí)際測試，并成功運(yùn)用于大洋協(xié)會“十五”攻關(guān)項(xiàng)目：小型底棲生物標(biāo)本自動(dòng)分離系統(tǒng)的通訊模式中。