智能儀表的CAN接口設計

1 前沿

在計算機數據傳輸領(lǐng)域內，長(cháng)期以來(lái)使用rs－232通信標準，盡管被廣泛的使用，但卻是一種低數據率和點(diǎn)對點(diǎn)的數據傳輸標準，無(wú)能力支持更高層次的計算機之間的功能操作。同時(shí)，在復雜或大規模應用中（如工業(yè)現場(chǎng)控制或生產(chǎn)自動(dòng)化領(lǐng)域），需要使用大量的傳感器、執行器和控制器等，它們通常分布在非常廣的范圍內，所以，在最底層的確需要一種造價(jià)低廉而又能適應工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境的通信系統，現場(chǎng)總線(xiàn)（field bus）就是在這種背景下應運而生的。

現場(chǎng)總線(xiàn)是連接智能現場(chǎng)設備和自動(dòng)化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網(wǎng)絡(luò )，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)自上世紀70年代誕生至今，由于它在減少系統線(xiàn)纜，簡(jiǎn)化系統安裝、維護和管理，降低系統的投資和運行成本，增強系統性能等方面的優(yōu)越性，引起人們的廣泛注意，得到大范圍的推廣。

can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 )，最初是由德國bosch公司為汽車(chē)監控、控制系統設計的。由于can總線(xiàn)本身的特點(diǎn)，其應用范圍目前已不再局限于汽車(chē)行業(yè)，而向過(guò)程工業(yè)、機械工業(yè)、紡織機械、農用機械、機器人、數控機床、醫療器械、傳感器及智能儀表等領(lǐng)域發(fā)展。

智能儀表是自動(dòng)化學(xué)科的重要組成部分。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是微電子、計算機和通信技術(shù)日新月異的變化，智能儀表逐漸向數字化、網(wǎng)絡(luò )化和智能化方向發(fā)展。智能儀表一方面可以進(jìn)行人機對話(huà)及與外部?jì)x器設備對話(huà)，通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)接入自動(dòng)測試系統；另一方面，使用者借助面板上的鍵盤(pán)和顯示屏，可用對話(huà)方式選擇測量功能，設置參數。當然，通過(guò)總線(xiàn)中的工業(yè)計算機也可獲得測量節點(diǎn)的數據。

2 can的接口設計

can總線(xiàn)是一種串行數據通信協(xié)議，在can總線(xiàn)通信接口中集成了can協(xié)議的物理層和數據鏈路層功能，可以完成對通信數據的成幀處理。can總線(xiàn)接口的具體電路如圖1所示。

筆者用sja1000作為流量計的can控制器，與cpu（單片機）的i/o口直接相連，再通過(guò)pca82c250組成can總線(xiàn)。這種結構很容易實(shí)現can網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)中的信息收發(fā)，從而實(shí)現對現場(chǎng)的控制。

sja1000的ad0－ad7連接到msp420f149的p0口，int接到p1.0，cs接到p1.1，rd連接到p1.2，wr連到p1.3，ale連到p1.4，sja1000的rx0與tx0分別通過(guò)2個(gè)cnw137型高速光耦與pca82c250相連后，再連到can總線(xiàn)上。

pca82c250為can總線(xiàn)收發(fā)器，是can控制器與can總線(xiàn)的接口器件，對can總線(xiàn)以差分方式發(fā)送，其rs引腳用于選擇pca82c250的工作方式：高速方式和斜率方式。rs接地為高速，rs引腳串接1只電阻器后再接地，用于控制上升和下降斜率，從而減小射頻干擾。rs引腳接高電平，pca82c250處于等待狀態(tài)。此時(shí)發(fā)送器關(guān)閉，接收器處于低電流工作，可以對can總線(xiàn)上的顯性位做出反應來(lái)通知cpu。實(shí)驗數據表明15kω－200kω為串聯(lián)電阻器較理想的取值范圍，在這種情況下，可以用平行線(xiàn)或雙絞線(xiàn)作為總線(xiàn)，本設計中pca82c250的斜率電阻為30kω。

cnw137為高速光耦，最高速度為10mb/s，用于保護sja1000型can總線(xiàn)控制器。can總線(xiàn)的終端匹配電阻器起相當重要的作用，不合適的電阻器會(huì )使數據通信的抗干擾性及可靠性大大降低甚至無(wú)法通信，理想的阻值范圍為108ω－132ω，該設計使用的阻值為124ω。

2.1 sja1000的功能

can通信協(xié)議主要由can控制器完成。sja1000是適用于汽車(chē)和一般工業(yè)環(huán)境控制器局域網(wǎng)（can）的高集成度控制器，具有完成高性能通信協(xié)議所要求的全部特性，具有簡(jiǎn)單總線(xiàn)連接的sja1000可完成物理層和數據鏈路層的所有功能，應用層功能可由微控制器完成，sja1000為其提供了多用途的接口。

sja1000是philips公司pca82c200型can控制器的后續產(chǎn)品，在軟件和引腳上均與pca82c200兼容，并增加了許多新的功能，性能更佳。尤其適用于對系統優(yōu)化、診斷和維護要求比較高的場(chǎng)合。

sja1000的功能框圖如圖2所示，由以下幾部分構成：接口管理邏輯；發(fā)送緩沖器，能夠存儲1個(gè)完整的報文（擴展的或標準的）；驗收濾波器；接收f(shuō)ifo；can核心模塊。

2.2 82c250
sja1000的一端與單片機相連，另一端與can總線(xiàn)相連。但是，為了提高單片機對can總線(xiàn)的驅動(dòng)能力，可以把82c250作為can控制器和物理總線(xiàn)間的接口，以提供對總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送能力和對can控制器的差動(dòng)接收能力。82c250的主要特性如下：
與iso/dis11898標準兼容；
高速（最高可達1mb/s）；
具有抗汽車(chē)環(huán)境下的瞬間干擾和保護總線(xiàn)的能力；
降低射頻干擾的斜率控制；
熱保護功能；
防止電池與地之間發(fā)生短路；
低電流待機方式；
某個(gè)節點(diǎn)掉電不會(huì )影響總線(xiàn)；
可有110個(gè)節點(diǎn)相連接。
3 can通信程序
sja1000操作期間，在上電之前必須配置控制線(xiàn)路（中斷、復位、片選等）建立與can控制器之間通信的硬件連接。初始化、can通信采用中斷方式數據發(fā)送和接收子程序，其流程如圖3、圖4和圖5所示。

如果在上電后獨立can控制器在引腳17得到1個(gè)復位脈沖（低電平），它就能夠進(jìn)入復位模式。在對sja1000寄存器設計前，can控制器通過(guò)讀復位模式/請求標志來(lái)檢查是否已進(jìn)入復位模式，因為要配置信息的寄存器只有在復位模式才能寫(xiě)入，并涉及到對控制寄存器（cr）、驗收碼寄存器（acr）、驗收屏蔽寄存器（amr）、總線(xiàn)定時(shí)寄存器（btro和btr1）和輸出控制寄存器（ocr）的初始化編程。

時(shí)鐘分頻寄存器可以選擇basiccan或pelican工作模式，設置clkout因該使能用來(lái)選擇頻率，設置是否使用旁路can輸入比較器和是否使用tx1輸出用為專(zhuān)門(mén)的接收中斷輸出。

驗收代碼和驗收屏蔽寄存器的設置可以過(guò)濾信息，為收到的信息定義驗收代碼；為與驗收代碼相關(guān)位比較定義驗收屏蔽代碼。

總線(xiàn)定時(shí)寄存器定義總線(xiàn)上的位速率。輸出控制寄存器定義can總線(xiàn)輸出引腳tx0和tx1的輸出模式，定義tx0和tx1輸出引腳配置是懸空、下拉、上拉或推挽以及極性。中斷寄存器設置允許識別的中斷源。

4 結束語(yǔ)

多個(gè)智能儀表通過(guò)can接口與pc連成總線(xiàn)網(wǎng)，其系統運行良好。這種基于現場(chǎng)總線(xiàn)的智能儀表系統抗干擾性強，性能可靠，無(wú)論是測量速度、精確度和自動(dòng)化程序還是性?xún)r(jià)比都是傳統儀表不能比擬的，是今后儀器儀表發(fā)展的方向。