SPMC65單片機在CAN總線(xiàn)智能節點(diǎn)中的應用
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CAN, 全稱(chēng)為“Controller Area Network”，是國際上應用最廣泛的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。20世紀80年代初，德國B(niǎo)osch公司為了解決現代汽車(chē)中眾多的控制與測試儀表之間的數據交換問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出 CAN總線(xiàn)。CAN總線(xiàn)能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 )，具有抗干擾性強和使用可靠等優(yōu)點(diǎn)，最初主要應用汽車(chē)工業(yè)，現在廣泛應用于汽車(chē)工業(yè)、航空工業(yè)和工業(yè)控制等自動(dòng)化領(lǐng)域，如分布式環(huán)境監測系統、溫室環(huán)境監控系統、變電站變監測系統等。
CAN總線(xiàn)是一種串行數據通信協(xié)議，其通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對數據的成幀處理，用戶(hù)可在其基礎上開(kāi)發(fā)適應系統實(shí)際需要的應用層通信協(xié)議。CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統的站地址編碼，而代之以對通信數據塊編碼，采用這種方法可使網(wǎng)絡(luò )內節點(diǎn)個(gè)數在理論上不受限制，還可使不同的節點(diǎn)同時(shí)收到相同的數據。
CAN總線(xiàn)提供高速數據傳送, 在短距離(40m)條件下具有高速(1Mbit/s)數據傳輸能力，而在最大距離10000m時(shí)具有低速(5kbits/s)傳輸能力，極適合在高速的工業(yè)自控應用上，CAN總線(xiàn)可在同一網(wǎng)絡(luò )上連接多種不同功能的傳感器（如位置,溫度或壓力等）。
CAN總線(xiàn)的其他特點(diǎn)如下：
?。?）它是一種多主總線(xiàn)，即每個(gè)節點(diǎn)機均可成為主機，且節點(diǎn)機之間也可進(jìn)行通信；
?。?）通信介質(zhì)可以是雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光導纖維，通信速率可達1Mbps；
?。?）數據段長(cháng)度最多為8個(gè)字節，可滿(mǎn)足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令，工作狀態(tài)及測試數據的一般要求。同時(shí)，8個(gè)字節不會(huì )占用總線(xiàn)時(shí)間過(guò)長(cháng)，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性；
?。?）CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數據通信的可靠性。
CAN可以以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò )上任意節點(diǎn)均可以在任意時(shí)刻主動(dòng)地向總線(xiàn)上其它節點(diǎn)發(fā)送信息，實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播幾種方式發(fā)送接收數據；CAN采用非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù)，當兩個(gè)節點(diǎn)同時(shí)向總線(xiàn)上發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級低的節點(diǎn)主動(dòng)停止數據發(fā)送，而優(yōu)先級高的節點(diǎn)可不受影響地繼續傳輸數據，節省了總線(xiàn)沖突仲裁時(shí)間。
圖1-1為一個(gè)CAN總線(xiàn)應用系統，主要有主機和各節點(diǎn)組成，主機和節點(diǎn)之間通過(guò)CAN收發(fā)器及CAN控制器相連，單個(gè)節點(diǎn)包括一個(gè)單片機控制器、一個(gè)CAN收發(fā)器和一個(gè)CAN控制器。其中一個(gè)典型的應用是：主機接收各節點(diǎn)發(fā)送的現場(chǎng)數據，如現場(chǎng)溫度、電流或壓力等參數，主機經(jīng)過(guò)綜合計算、判斷作出相應的控制命令，這些命令將通過(guò)CAN總線(xiàn)傳送至各節點(diǎn)。各節點(diǎn)由單片機作為控制器，它用于采集現場(chǎng)的各項參數，并執行主機發(fā)送的各項命令，這些命令將最終傳送至各執行機構，如閥門(mén)、電機或泵等。
圖1-1 CAN總線(xiàn)應用系統
本文將介紹基于凌陽(yáng)8位通用型工控單片機的CAN總線(xiàn)智能節點(diǎn)的設計。本文將闡述智能節點(diǎn)中的主控器SPMC65P2404A在本方案中的應用特點(diǎn)，及主控器與CAN總線(xiàn)控制器之間的通信。
2芯片特性簡(jiǎn)介
SPMC65P2404A是凌陽(yáng)推出的8位工業(yè)控制單片機，最高工作頻率為8MHz，工作電壓3.0V~5.0V，有192字節的RAM和4K字節的OTP ROM，具備23個(gè)可編程IO口，內置上/下拉電阻，8通道10位A/D轉換器（100KHz），SPMC65P2404其他特性包括：
◆凌陽(yáng)科技8位單片機
☉182條指令
☉11種尋址模式
☉支持位操作（Set,Clear,Inverse,Test）
◆2個(gè)8位可編程定時(shí)器/計數器(可自動(dòng)預置初始計數值)
☉普通的定時(shí)/計數器
☉具有8位捕獲功能
☉具有8位比較功能
◆2個(gè)16位可編程定時(shí)器/計數器(可自動(dòng)預置初始計數值)
☉普通的定時(shí)/計數器
☉具有8或16位捕獲功能
☉具有16位比較功能
☉12位PWM輸出
◆中斷方式
☉支持IRQ和NMI中斷
☉4種外部中斷
☉12種內部中斷
◆具有SPI總線(xiàn)：最高通信速率為2Mbps
◆5種復位功能：上電復位、低電壓復位、看門(mén)狗復位、外部復位及錯誤地址復位
◆支持3種時(shí)鐘電路：晶體振蕩器、RC振蕩、外部信號
◆2種低功耗模式：Halt模式和Stop模式
◆一個(gè)蜂鳴器驅動(dòng)輸出口
3智能節點(diǎn)硬件設計
在工業(yè)控制中，通常需要進(jìn)行電壓、電流、溫度等信號的實(shí)時(shí)采集、可靠傳輸和實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現了PC端對CAN智能節點(diǎn)的有效控制。為了達到工業(yè)控制上這些控制要求，CAN總線(xiàn)上的節點(diǎn)通常需要有微控器作為節點(diǎn)的主控器。主控器完成現場(chǎng)各項參數的采集、響應相關(guān)的外部事件、接受外部按鍵命令、產(chǎn)生驅動(dòng)信號、顯示相關(guān)參數及與CAN總線(xiàn)控制器通信。圖3-1為SPMC65P2404A作為節點(diǎn)控制器，各個(gè)部件的連接示意圖。
圖 3-1智能節點(diǎn)示意圖
※ 數據采集部件：
在工業(yè)控制現場(chǎng)，通常會(huì )有各類(lèi)傳感器，如電流互感器、溫度傳感器、壓力傳感器等，將現場(chǎng)的電流、溫度及壓力等參數轉化為模擬電信號，這些模擬信號輸入MCU中的A/D轉換器，最終得到可傳輸的數字信號。SPMC65P2404A具有8通道10位精度的A/D轉換器，并可以選擇內部或外部參考電壓，能夠滿(mǎn)足多通道、高精度的模數轉換。
※現場(chǎng)人機交互部件：
人機交互部件可以實(shí)現工作人員在現場(chǎng)對某個(gè)節點(diǎn)進(jìn)行操作控制，人機交互部件包括鍵盤(pán)、紅外遙控器、LED或LCD顯示。比如，顯示模塊可以實(shí)時(shí)顯示現場(chǎng)參數，工作人員操作鍵盤(pán)或遙控器上的某些按鍵，可以啟動(dòng)電機或電閥門(mén)等執行機構，使系統達到預設定的效果。
SPMC65P2404A具有多組捕獲功能，使用捕獲功能，可以很方便的實(shí)現紅外信號解碼。
※快速響應外部突發(fā)事件：
在工業(yè)控制現場(chǎng)，突發(fā)事件保護機制非常重要。對現場(chǎng)的突發(fā)事件實(shí)行快速響應，并做出保護動(dòng)作將使控制現場(chǎng)更安全。在節點(diǎn)設計中，可以使用MCU快速響應外部中斷，在MCU的中斷程序中，切斷驅動(dòng)信號的輸出。SPMC65P2404A能夠響應4個(gè)外部中斷，并且每個(gè)外部中斷可以設定為非屏蔽中斷或屏蔽中斷。
※產(chǎn)生執行機構的驅動(dòng)信號：
工業(yè)控制現場(chǎng)會(huì )有多種執行機構，如電機、電閥門(mén)等，正對各種每種執行機構，MCU會(huì )輸出相應的驅動(dòng)信號，以控制這些機構。SPMC65P2404A具有2路12位的PWM輸出能力，有2路比較輸出功能，同時(shí)，每個(gè)I/O口都具備驅動(dòng)LED的能力。利用SPMC65P2404A的這些功能，并配合相應的驅動(dòng)電路，就可以有效控制電機、電閥門(mén)等。
※節點(diǎn)通信連接：
在智能節點(diǎn)的設計中，需要使用CAN控制器及CAN收發(fā)器，作為主控器與CAN總線(xiàn)之間的連接媒介。本智能節點(diǎn)使用MCP2510作為CAN控制器和PCA82C250作為CAN收發(fā)器。它們之間的連接是：MCU主控器通過(guò)SPI總線(xiàn)與CAN控制器通信，CAN控制器通過(guò)光電隔離器件與CAN收發(fā)器連接。SPMC65P2404A內部集成SPI總線(xiàn)，SPI總線(xiàn)支持全雙工同步傳輸，具有主、從兩種模式，最高通信速率為2Mbps。CAN控制器MCP2510也具備SPI總線(xiàn)。
4 智能節點(diǎn)軟件設計
智能節點(diǎn)程序包括主程序和中斷程序兩部分，主程序處理常規的數據采集及控制操作，中斷程序則處理異常事件及紅外信號解碼。
主程序包括系統初始化、按鍵掃描、紅外信號處理、顯示處理、電流信號采集、溫度數據采集、壓力信號采集、與CAN控制器通信、驅動(dòng)信號產(chǎn)生等模塊。程序流程圖如圖4-1所示：
圖 4-1主程序流程圖
主流程采用分時(shí)結構，在每個(gè)不同的時(shí)間片進(jìn)行不同的工作。對主程序的循環(huán)時(shí)間實(shí)行定時(shí)，使得主程序每1ms循環(huán)一次。
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