基于CAN總線(xiàn)智能節點(diǎn)的設計

CAN總線(xiàn)最早是德國的BOSCH公司為解決汽車(chē)的監測，控制系統而設計的?，F在，已由汽車(chē)行業(yè)擴展到過(guò)程工業(yè)，機械工業(yè)，機器人和樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域?？偨Y各個(gè)領(lǐng)域中的應用實(shí)例，CAN通信設計的關(guān)鍵在于各個(gè)通信模塊的設計與實(shí)現。通信信號一般有模擬量輸入／輸出(電壓電流采集模塊)，開(kāi)關(guān)量輸入＼輸出，數字量輸入＼輸出(如計數器模塊)等。本文重點(diǎn)就模擬量輸入模塊和開(kāi)關(guān)量輸入模塊的設計，采用具有CAN接口的C8051F550單片機作為系統設計的從節點(diǎn)，用來(lái)采集模擬量和開(kāi)關(guān)量，實(shí)現與上位機中央控制器的通信。

1 CAN總線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )系統

如圖1所示，本設計中通過(guò)帶有終端器(120歐電阻)的通信介質(zhì)(雙絞線(xiàn))將上位機和底層模塊連接起來(lái)。實(shí)驗中，終端電阻和雙絞線(xiàn)阻抗的匹配確保了數據信號不會(huì )在總線(xiàn)的兩端反射。上位機(主節點(diǎn))采用USB—CAN接口適配器(型號GYB507)，使PC機直接通過(guò)USB接口就可連入CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，成為一個(gè)標準的CAN節點(diǎn)。配合總線(xiàn)通信測試軟件CANtool的使用，可直接配置PC機的發(fā)送與接收狀態(tài)，通信速率和報文濾波功能等。同時(shí)，還可實(shí)時(shí)監測顯示網(wǎng)絡(luò )中各從節點(diǎn)與PC機的數據通信，應用簡(jiǎn)單、方便。

圖1 CAN總線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )結構

2 智能節點(diǎn)硬件設計

傳統的從節點(diǎn)設計是將CPU與CAN總線(xiàn)控制器和總線(xiàn)收發(fā)器相連后再連入總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，這樣使CPU外圍電路復雜化，整個(gè)系統受外部影響較大。為了解決這一問(wèn)題，很多單片機廠(chǎng)商都將CAN控制器集成在單片機上。本文中選用C8051F550該單片機，它是內部集成的CAN控制器，完全按照BoshchCAN全功能的CAN模塊實(shí)現，符合CAN2．0B協(xié)議，工作位速率可達1Mpbs?？刂破靼幸粋€(gè)CAN內核，消息緩沖區，報文處理狀態(tài)機和CAN控制寄存器。通信控制器有32個(gè)消息對象，可以配置為發(fā)送或接收數據。輸入數據，消息對象及其標識符存儲在CAN消息緩沖區中，能實(shí)現CAN協(xié)議的數據鏈路層的全部功能及物理層大部分功能。CIP-51CPU可通過(guò)特殊功能寄存器直接或間接訪(fǎng)問(wèn)CAN控制寄存器(CANOCN)，測試寄存器(CANOTST)和狀態(tài)寄存器(CANOSTA)。所有其它寄存器只能通過(guò)CANOADR，CANODATH和CANOTAL寄存器以地址索引方式間接訪(fǎng)問(wèn)。

CAN總線(xiàn)的驅動(dòng)器采用隔離CAN總線(xiàn)收發(fā)器CTM1050，通信速率1Mbps，至少可連接110個(gè)節點(diǎn)。內部集成的電氣輸入級隔離電路，可隔離高達2 500V的直流電壓。輸入級兼容3．3V和5V的CAN控制器，輸出級驅動(dòng)具有溫度保護，內部TVS管可防止總線(xiàn)過(guò)壓功能。與傳統的PCA82C250總線(xiàn)收發(fā)器相比，主要優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需外加光耦可直接使用，外圍電路簡(jiǎn)單，安全，可滿(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)惡劣條件的使用。圖2所示為C805117550與CTM1050的接口電路。

圖2 C805F550與CTM1050的接口電路

3 智能節點(diǎn)軟件設計

圖1中三個(gè)節點(diǎn)與上位機的通信方式采用的是節點(diǎn)1、3與上位機實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)通信工作方式。節點(diǎn)1、3的微處理器C8051F550上電復位后，自動(dòng)采集模擬電壓信號，通過(guò)C8051F550內部集成的12位A／D轉換，將數字量發(fā)送到上位機。上位機實(shí)時(shí)進(jìn)行數據監控，如果收到的數據出現錯誤，可以通過(guò)CANtool軟件，發(fā)送自定義的錯誤數據標識給兩個(gè)節點(diǎn)，兩節點(diǎn)收到該數據后，停止A／D采樣工作。節點(diǎn)1、3與節點(diǎn)2是主從工作方式。當節點(diǎn)2的開(kāi)關(guān)量有按鍵按下時(shí)，1、3節點(diǎn)將實(shí)時(shí)采集到的數據在發(fā)送給節點(diǎn)2，并在節點(diǎn)2的LCD上顯示。