SJA1000型CAN控制器在深海測控中的應用

1 引言

為了開(kāi)發(fā)海洋資源，人類(lèi)必須首先了解海底環(huán)境。然而，海底環(huán)境十分復雜，對海底探測的要求很高，深海環(huán)境下需要采集的參數比較多，包括深度、溫度、鹽度、ph值、溶解氧及各種化學(xué)元素等。

深海測控系統工作時(shí)需要接收來(lái)自甲板控制中心的命令，同時(shí)要將采集到的數據反送到甲板控制中心，二者之間的最大通信距離大于5km，因此，它們之間的通信要求很高。can總線(xiàn)與一般的通信總線(xiàn)相比，它的數據通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。can的直接通信距離最遠可達10km（速率在5kb/s以下），報文采用短幀結構，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，保證了數據出錯率極低。為此，筆者采用can總線(xiàn)作為通信方式。

2 深海測控系統的基本組成

深海測控模塊由二大部分組成：測控子模塊和通信子模塊。測控子模塊的主要功能是根據甲板控制中心的命令啟動(dòng)系統并完成參數提取、轉換、數據處理、存儲及發(fā)送等操作。通信子模塊的功能是完成甲板與水下測控系統的通信。
測控子模塊以cygnal公司的c8051f020型單片機為核心，擴展信號調理電路及與can總線(xiàn)的接口。通信子模塊是philips公司的sja1000型can控制器。

2.1 測控子模塊

深海測控子模塊由微控制器系統和i/o系統組成。

微控制器是cygnal公司的c8051f020型單片機。c8051f020采用cip－51型微控制器內核及流水線(xiàn)指令結構，70％的指令執行時(shí)間為1個(gè)或2個(gè)系統時(shí)鐘周期，峰值速度達到25mi/s，能滿(mǎn)足深海環(huán)境下多路數據的快速采集與分析。
c8051f020型單片機內部集成1個(gè)12位8通道帶可編程增益放大器的a/d轉換器和1個(gè)8位8通道a/d轉換器，能滿(mǎn)足深海多路環(huán)境參數采集；2路12位電壓輸出d/a轉換器；16位可編程定時(shí)/計數器陣列pca可用于輸出pwm以控制步進(jìn)電機的運轉；64個(gè)耐5v電壓的通用i/o口可控制開(kāi)關(guān)器件的啟動(dòng)和停止。

微控制器系統還包括了單片機的一些基本外圍電路。系統還開(kāi)展了1片容量達64mbyte的串行flash存儲器，用以保存采集到的數據，以避免can通信不暢時(shí)造成數據丟失。使用時(shí)只要微控制器外接相應的傳感器、繼電器、電機等就可以完成各種環(huán)境下參數的采集及相應的控制

2.2 通信子模塊

sja1000是philips公司推出的一款獨立的can控制器，主要用于移動(dòng)目標和一般工業(yè)環(huán)境中的區域網(wǎng)絡(luò )控制。它是pca82c200型can控制器（basiccan）的替代產(chǎn)品，而且增加了一種新的操作模式--pelican，這種模式支持具有很多新特征的can2.0b協(xié)議。

sja1000的基本特征如下：

引腳與pca2c200型can控制器兼容。
有擴展的接收緩沖器（64字節，先進(jìn)先出fifo）。
支持can2.0a和can2.0b協(xié)議。
支持11位和29位標識碼。
通信位速率可達1mb/s。
可與不同的微處理器接口。
可編程的can輸出驅動(dòng)器配置。
sja1000的引腳排列如圖1所示，主要引腳的功能如下所述。

ad7－ad0：地址數據復用線(xiàn)。
ale/as：ale輸入信號（intel模式）或as輸入信號（motorola模式）。
cs：片選信號，低電平允許訪(fǎng)問(wèn)sja1000。
rd/e：來(lái)自微控制器的rd信號（intel模式）或e使能信號（motorola模式）。
wr：來(lái)自微控制器的wr信號（intel模式）或rd/wr使能信號（motorola模式）。
clkout：sja1000產(chǎn)生用于微控制器的時(shí)鐘輸出信號；時(shí)鐘信號由內置晶體振蕩器通過(guò)可編程除法器產(chǎn)生；時(shí)鐘除法寄存器中的時(shí)鐘停止位能使該引腳無(wú)效。
vdd1和vss1：邏輯電路5v電源和邏輯電路地。
xtal：晶體振蕩器放大器輸入，外部晶體振蕩器信號由該腳輸入。
xtal2：晶體振蕩器放大器輸出，當使用外部晶體振蕩器信號時(shí)，該輸出引腳必須開(kāi)路。
vdd3和vss3：輸出驅動(dòng)5v電源和輸出驅動(dòng)地。
tx0和tx1：can輸出驅動(dòng)器0和1輸出到物理總線(xiàn)。
int：中斷輸出，用于觸發(fā)微控制器中斷；內部中斷寄存器的任何位置位，int將低電平輸出；int為開(kāi)環(huán)輸出；該引腳為低電平將電路從睡眠狀態(tài)激活。
rst：復位輸入，用于復位can接口（低電平有效）。
vdd2和vss2：輸入比較器5v電源和輸入比較器地。

rx0和rx1：從物理can總線(xiàn)輸入到sja1000的輸入比較器。
sja1000與微處理器的接口非常簡(jiǎn)單，微處理器以訪(fǎng)問(wèn)外部存儲器的方式來(lái)訪(fǎng)問(wèn)sja1000。由于sja1000的內部寄存器分布在連續的地址內，所以完全可以把sja1000當作外部ram。在設計接口電路時(shí)，sja1000的片選地址應與其他外部存儲器的片選在邏輯上無(wú)沖突。

3 系統設計

sja1000型can控制器兼容can2.0a和can2.0b二種規范。can2.0b具有二種不同的幀格式：標準幀和擴展幀，前者為11位標識符，后者為29位標識符。前者的標識符比后者的標識符少2個(gè)字節。深海測控系統的can節點(diǎn)數量少，只有上位機節點(diǎn)和水下測控中心節點(diǎn)，所以即使距離比較遠，對傳輸數據速度和可靠性的影響也不是很大。

3.1 單片機與can控制器的硬件設計

圖2為c8051f020型單片機與sja1000型控制器的硬件連接電路原理。sja1000占用了0x8000－0x80ff的外部ram空間。當單片機訪(fǎng)問(wèn)以上空間時(shí)片選信號會(huì )選中sja1000。

c8051f020有高低2個(gè)外部存儲器接口。因此，sja1000的ad0－ad7連接到c8051f020的高端口p7口，cs連接到基址為0x8000的外部存儲器片選信號。當c8051f020訪(fǎng)問(wèn)地址0x8000－0x80ff時(shí)，cpu可對sja1000執行相應的讀/寫(xiě)操作。sja1000的rd、wr和ale分別與c8051f020的對應引腳相連，int接c8051f020的int0引腳，于是c8051f020可通過(guò)中斷方式訪(fǎng)問(wèn)sja1000。sja1000的復位信號rst為低電平有效。c8051f020的ad0－ad7口用于地址/數據的輸入/輸出，將其配置為漏極開(kāi)路方式，利用4.7kω上拉電阻器拉至5v。通過(guò)設置數字交叉開(kāi)關(guān)，將c8051f020的外部中斷引腳配置到p2.7口。
can能夠使用多種物理介質(zhì)，例如雙絞線(xiàn)和光纖等。該設計方案采用雙絞線(xiàn)。信號以差分電壓傳送，2條信號線(xiàn)為can_h和can_l，靜態(tài)時(shí)為2.5v，此時(shí)狀態(tài)表示邏輯"1"，也叫做"隱性"。can_h比can_l高，表示邏輯"0"，稱(chēng)為"顯性"，此時(shí)can_h＝3.5v，can_l＝1.5v。tja1050型can總線(xiàn)收發(fā)器是can協(xié)議控制器和物理總線(xiàn)之間的接口，can總線(xiàn)上二端節點(diǎn)須加60ω電阻器和47nf電容器將信號吸收，以避免信號反射。為了增強can總線(xiàn)節點(diǎn)的抗干擾能力，sja1000的tx1與rx1通過(guò)6n137型高速光耦后與tja1050相連。這樣就很好地實(shí)現了總線(xiàn)上各can節點(diǎn)間的電氣隔離。其中，光耦部分電路的2個(gè)電源vcc和v_can必須完全隔離，否則采用光耦就是失去了意義。電源的完全隔離可采用小功率電源隔離模塊和通過(guò)帶多個(gè)5v隔離輸出的開(kāi)關(guān)電源模塊實(shí)現。

3.2 軟件設計

通信協(xié)議采用"id＋命令＋數據＋校驗"的形式，其中id為網(wǎng)絡(luò )設備的標識符，采用id.18－id.20。標識符id.21－id.28作為固定命令，不參與驗收濾波。數據表示通信的具體內容。校驗為1個(gè)字節，采用校驗和的形式，由于can總線(xiàn)本身具有15位crc校驗，并且該系統節點(diǎn)數少，競爭不會(huì )很激烈，通信可靠性比較高。

軟件設計思想為系統上電后c8051f020先對自身和sja1000進(jìn)行初始化以確定工作主頻、波特率和輸出特性等，然后接收來(lái)自甲板上位機的控制命令，同時(shí)將獲取的采樣參數通過(guò)sja1000傳送到can總線(xiàn)上或備份到flash存儲器中；對sja1000的初始化設計是重點(diǎn)，也是難點(diǎn)，必須對寫(xiě)入每個(gè)寄存器的內容進(jìn)行仔細和全面考慮，否則系統將無(wú)法正常運行?？稍O上位機sja1000適配卡的acr為xx20，amr為ff00。水下測控中心sja1000的acr為xx40，amr為ff00。
遵循上述思路，筆者采用c51編寫(xiě)了應用軟件，下面是部分程序清單。


由于深海測控系統對通信的實(shí)時(shí)性要求很高，一旦接收到甲板上傳來(lái)的控制命令就必須及時(shí)響應，為此從can總線(xiàn)上接收信息采用中斷方式。即sja1000無(wú)錯地接收到消息后使int變?yōu)榈碗娖?，下降沿觸發(fā)c8051f020的外部中斷0，使其進(jìn)入中斷服務(wù)程序。其流程如圖3所所示。

如果要向can總線(xiàn)發(fā)送數據，則必須將符合peilcan幀格式的一組數據寫(xiě)入sja1000的發(fā)送緩沖區，然后調用發(fā)送子函數。這里筆者采用查詢(xún)方式來(lái)實(shí)現發(fā)送。流程如圖4所示。

4 結束語(yǔ)

基于sja1000型can控制器的深海測控系統基本上滿(mǎn)足了功耗低、體積小、重量輕、易擴展的要求，同時(shí)與甲板上位機之間的通信可靠，完全能滿(mǎn)足深海探測的需要，并能廣泛應用于海洋油、氣田作業(yè)，海洋污染監控和防治，海上漁業(yè)生產(chǎn)等，前景廣闊。