基于單片機和MCP2510的CAN總線(xiàn)通信模塊的設計
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1 前言
CAN（Controller Area Network）總線(xiàn)，即控制器局域網(wǎng)。由于具有高性能、高可靠性以及獨特的設計，CAN總線(xiàn)越來(lái)越受到人們的重視。德國的Bosch公司最初為了汽車(chē)監控和控制系統設計了CAN總線(xiàn)，現在，其應用范圍已面向過(guò)程工業(yè)、機械工業(yè)、紡織工業(yè)、農用機械、機器人、數控機床、醫療器械及傳感器等領(lǐng)域發(fā)展。CAN 總線(xiàn)已經(jīng)形成國際標準，并已經(jīng)被公認為最有前途的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。CAN總線(xiàn)規范已經(jīng)被國際標準化組織制訂為國際標準ISO11898,并得到眾多半導體器件廠(chǎng)商的支持，推出各種集成有CAN協(xié)議的產(chǎn)品。CAN總線(xiàn)系統智能節點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò )上報文的接收＆發(fā)送站，一般由單片機和CAN控制器或二者合二為一組成。 MCP2510是MicroChip成產(chǎn)的一種獨立的可編程CAN控制器芯片。本文將介紹新型的獨立CAN通信控制器MCP2510,并給出在CAN總線(xiàn)系統智能節點(diǎn)中的應用實(shí)例。
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(7) 工作溫度范圍為-40～+125℃。
2.3 結構及工作原理
圖2是MCP2510的內部結構框圖，其中CAN協(xié)議機負責與CAN總線(xiàn)的接口，SPI接口邏輯用于實(shí)現同MCU的通訊，而寄存、緩沖器組與控制邏輯則用來(lái)完成各種方式的設定和操作控制?，F結合其工作過(guò)程將各部分的功能、原理作一介紹。
（1）收發(fā)操作
MCP2510的發(fā)送操作通過(guò)三個(gè)發(fā)送緩沖器來(lái)實(shí)現。這三個(gè)發(fā)送緩沖器各占據14個(gè)字節的SRAM。第一字節是控制寄存器TXBNCTRL，該寄存器里的內容設定了信息發(fā)送的條件，且給出了信息的發(fā)送狀態(tài)；第二至第六字節用來(lái)存放標準的和擴展的標識符以及仲裁信息；最后八個(gè)字節則用來(lái)存放待發(fā)送的數據信息。在進(jìn)行發(fā)送前，必須先對這些寄存器進(jìn)行初始化。
（2）中斷管理
MCP2510有8個(gè)中斷源，包括發(fā)送中斷、接收中斷、錯誤中斷及總線(xiàn)喚醒中斷等。利用中斷使能寄存器CANINTE和中斷屏蔽寄存器CANINTF可以方便地實(shí)現對各種中斷的有效管理。當有中斷發(fā)生時(shí)，INT引腳變?yōu)榈碗娖讲⒈３衷诘碗娖?，直到MCU清除中斷為止。
（3） 錯誤檢測
CAN協(xié)議具有CRCF錯誤、應答錯誤、形式錯誤、位錯誤和填充錯誤等檢測功能。MCP2510內含接收出錯計數器（REC）和發(fā)送出錯計數器（TEC）兩個(gè)錯誤計數器。因而對于網(wǎng)絡(luò )中的任何一個(gè)節點(diǎn)來(lái)說(shuō)，都有可能因為錯誤計數器的數值不同而使其處于錯誤-激活、錯誤-認可和總線(xiàn)-脫離三種狀態(tài)之一
3 MCP2510在智能節點(diǎn)中的應用實(shí)例
利用MCP2510和CAN總線(xiàn)收發(fā)器TJA1050可構成一個(gè)CAN總線(xiàn)分布式測控網(wǎng)絡(luò )。系統可包括一個(gè)主控制器和多個(gè)節點(diǎn)控制器，這種節點(diǎn)控制器可對電動(dòng)機的電流，電壓及周?chē)臏囟冗M(jìn)行監控，其結構如圖3所示。
這種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構采用了總線(xiàn)式結構，且結構簡(jiǎn)單、成本低，采用無(wú)源抽頭連接。因而系統的可靠性較高。其信息傳輸采用CAN通信協(xié)議，通信介質(zhì)采用雙絞線(xiàn)。由于CAN總線(xiàn)是基于發(fā)送報文的編碼，它不對CAN控制節點(diǎn)進(jìn)行編碼，故系統的可擴充性比較好，同時(shí)增刪CAN總線(xiàn)上的控制節點(diǎn)不會(huì )對系統的其余節點(diǎn)造成任何影響。
節點(diǎn)控制器的MCU可選用具有SPI接口的微處理器，也可采用不帶SPI接口的微處理器。本系統采用的是不帶SPI接口的微處理器 AT89c51，AT89c51可通過(guò)P1口與CAN控制器的SPI接口直接相連，并用軟件算法來(lái)實(shí)現SPI接口協(xié)議。CAN總線(xiàn)收發(fā)器TJA1050則作為MCP2510與物理總線(xiàn)的接口。如果需要進(jìn)一步提高系統的抗干擾能力，可在MCP2510和82C250之間再加一個(gè)光電隔離器。
3.1軟件設計
MCP2510正常工作之前, 需要進(jìn)行正確的初始化，包括設置SPI接口的數據傳輸速率、CAN通信的波特率、MCP2510的接收過(guò)濾器和屏蔽器以及發(fā)送＆接收中斷允許標志位等。與 SJA1000不同的是，單片機對MCP2510的接收緩沖器和發(fā)送緩沖器的操作必需通過(guò)SPI接口用MCP2510內置讀寫(xiě)命令來(lái)完成。其讀、寫(xiě)命令時(shí)序圖如圖5、6所示：
本文中MCP2510主要采取中斷模式進(jìn)行總線(xiàn)數據的接收和發(fā)送。整個(gè)系統主序提供兩種中斷"定時(shí)器中斷和外部中斷",定時(shí)器中斷的中斷子程序主要處理來(lái)自模擬通道AIN0~AIN7的A/D數據采集和向MCP2510發(fā)送數據發(fā)送請求命令以及數據發(fā)送。外部中斷的中斷處理子程序主要處理CAN總線(xiàn)錯誤處理子程序和數據接收子程序。
3.2 軟件主體設計流程圖如下
3.3 軟件設計時(shí)需要注意的問(wèn)題：
（1）因為 MCP2510在初始化完成后默認處Configuration模式下，所以就需要在MCP2510的初始化完后將其置為 Normal模式,否則MCP2510將一直停留在Configuration 模 式 下， 不 能 進(jìn) 行 正 常 工作。將MCP2510置Normal模式可通過(guò)使用 MCP2510內置的BitModify(位修改)4指令向CANCTRL控制字寫(xiě)入一個(gè)0字節來(lái)實(shí)現.
（2）在對MCP2510做任何操作之前，都要由微處理器向MCP2510的片選CS輸出一個(gè)低電平，使得MCP2510被選通
（3）在進(jìn)行MCP2510的“讀”操作時(shí)，發(fā)送完讀指令及其地址碼之后，仍然需要向MCP2510提供時(shí)鐘，以接收“讀”到的數據?？梢酝ㄟ^(guò)向MCP2510發(fā)送一個(gè)“0”字節來(lái)實(shí)現。
（4）在對MCP2510做完任意操作后，都要延時(shí)一段時(shí)間，使其有足夠的時(shí)間來(lái)準備接收下次操作的命令，防止出現MCP2510“忙”的情況。
4 總結
CAN總線(xiàn)已被公認為是最有前途的幾種現場(chǎng)總線(xiàn)之一。因其高性能價(jià)格比、實(shí)現簡(jiǎn)單等突出優(yōu)點(diǎn)深得越來(lái)越多的研發(fā)人員的青睞。文中的智能節點(diǎn)可聯(lián)結多個(gè)集散控制系統，其硬、軟件電路的設計方法同樣適合于其他基于CAN總線(xiàn)的分布式控制系統的節點(diǎn)設計。
參考文獻：
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