基于CAN總線(xiàn)分布式控制系統智能節點(diǎn)的設計

前言

現場(chǎng)總線(xiàn)是當今自動(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)域的計算機局域網(wǎng)。它的出現為分布式控制系統實(shí)現各節點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數據通信提供了強有力的技術(shù)支持。CAN(Controller AreaNetwork)屬于現場(chǎng)總線(xiàn)的范疇，它是一種有效支持分布式控制或實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò )。較之目前許多RS-485基于R線(xiàn)構建的分布式控制系統而言，基于CAN總線(xiàn)的分布式控制系統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 )中的各節點(diǎn)都可根據總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)優(yōu)先權(取決于報文標識符)采用無(wú)損結構的逐位仲裁的方式競爭向總線(xiàn)發(fā)送數據，且 CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，而代之以對通信數據進(jìn)行編碼，這可使不同的節點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數據，這些特點(diǎn)使得CAN總線(xiàn)構成的網(wǎng)絡(luò )各節點(diǎn)之間的數據通信實(shí)時(shí)性強，并且容易構成冗余結構，提高系統的可靠性和系統的靈活性。而利用RS-485只能構成主從式結構系統，通信方式也只能以主站輪詢(xún)的方式進(jìn)行，系統的實(shí)時(shí)性、可靠性較差;

其次，CAN總線(xiàn)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(xiàn)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 )出現象在RS-485網(wǎng)絡(luò )中，當系統有錯誤，出現多節點(diǎn)同時(shí)向總線(xiàn)發(fā)送數據時(shí)，導致總線(xiàn)呈現短路，從而損壞某些節點(diǎn)的現象。而且CAN節點(diǎn)在錯誤嚴重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線(xiàn)上其他節點(diǎn)的操作不受影響，從而保證不會(huì )出現象在網(wǎng)絡(luò )中，因個(gè)別節點(diǎn)出現問(wèn)題，使得總線(xiàn)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，從而大大降低系統開(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，與其它現場(chǎng)總線(xiàn)比較而言，CAN總線(xiàn)是具有通信速率高、容易實(shí)現、且性?xún)r(jià)比高等諸多特點(diǎn)的一種已形成國際標準的現場(chǎng)總線(xiàn)。這些也是目前 CAN總線(xiàn)應用于眾多領(lǐng)域，具有強勁的市場(chǎng)競爭力的重要原因。

硬件電路設計

CAN遵循ISO的標準模型，分為數據鏈路層和物理層。在工程上，這兩層通常由CAN控制器和收發(fā)器實(shí)現的。當前，市面上有兩種CAN總線(xiàn)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(hù)制作印制板，電路圖也更緊湊;另外一種是獨立的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， 使用獨立的CAN控制器的潛在優(yōu)勢是，系統開(kāi)發(fā)人員可以根據所需從眾多種類(lèi)的單片機中選擇最理想的系統設計方案。

節點(diǎn)微控制器選用單片機80C196KC，CAN接口由獨立控制器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獨立控制器兼容的，并增加了許多新功能：標準幀數據結構和擴展幀數據結構，并且這兩種幀格作為式都具有單/雙接收過(guò)濾器;64字節的接收FIFO;可讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)的錯誤計數器和錯誤限制報警以及只聽(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(xiàn)上。82C250器件提供對總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送能力和對CAN控制器的差動(dòng)接受能力，完全和“ISO11898”標準兼容。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。在低速和總線(xiàn)長(cháng)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。通信信號傳輸到導線(xiàn)的端點(diǎn)時(shí)會(huì )發(fā)生反射，反射信號會(huì )干擾正常信號的傳輸，因而總線(xiàn)兩端接有終端電阻R1、R2，以消除反射信號，其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。

軟件設計

CAN總線(xiàn)節點(diǎn)要有效、實(shí)時(shí)地完成通信任務(wù)，軟件的設計是關(guān)鍵，也是難點(diǎn)。它主要包括節點(diǎn)初始化程序、報文發(fā)送程序、報文接收程序 以及CAN總線(xiàn)出錯處理程序等等。CAN控制器芯片SJA1000的內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)在復位模式或工作模式下對這些寄存器的讀寫(xiě)來(lái)完成的。在初始化CAN內部寄存器時(shí)注意使得各節點(diǎn)的位 速率必須一致，而且接、發(fā)雙方必須同步。報文的接收主要有兩種方式：中斷和查詢(xún)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 )出現數據溢出現象。SJA1000的Basic CAN工作模式是與其前一款PCA82C200獨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，它的程序設計也與之有所不同。下面給出SJA1000工作在模PeliCAN式下的節點(diǎn)初始化、報文發(fā)送、報文接收的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; 只接收標識符為2，3的報文

STB AL, AMR1

LDB AL, #8FH

STB AL, IER; 中斷使能寄存器

LDB AL, #01H; 總線(xiàn)定時(shí)寄存器0、1的設置

STB AL, BTR0;

LDB AL, #1CH; 在16MHz晶振情況下

STB AL, BTR1; 波特率設置為250

LDB AL, #0AAH

STB AL, OCR; 輸出控制器寄存器設置

LDB AL, #0H; 接收緩存器起始地址設為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?