基于MSP430單片機的CAN總線(xiàn)接口轉換卡設計

1 引言

控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network，簡(jiǎn)稱(chēng)CAN)是德國奔馳公司20世紀80年代為解決汽車(chē)眾多控制設備與儀器儀表之間的數據交換開(kāi)發(fā)的一種串行通信協(xié)議。它作為現場(chǎng)總線(xiàn)的一種廣泛應用于各種工業(yè)現場(chǎng)，根據不同的需要或以主從方式、或以多主方式工作。CAN總線(xiàn)使用的通信介質(zhì)為雙絞線(xiàn)或其他電纜，傳輸速率可達lMb／s。 CAN總線(xiàn)與其他通信網(wǎng)的不同之處有二：一是報文傳送中不包含目標地址，它是以全網(wǎng)廣播為基礎，各接收站根據報文中反映數據性質(zhì)的標識符過(guò)濾報文，該收的收下，不該收的棄而不用。其好處是可在線(xiàn)上網(wǎng)下網(wǎng)、即插即用和多站接收；二是特別強化了對數據安全性的關(guān)注，滿(mǎn)足控制系統及其他較高數據要求的系統需求。鑒于其極高的可靠性、獨特的設計、高速率和傳輸距離較長(cháng)等，特別適合于工業(yè)現場(chǎng)監控設備的互連。

2 系統簡(jiǎn)介

CAN總線(xiàn)采用總線(xiàn)式網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，如圖l所示。采用CAN總線(xiàn)特有的多主傳送方式，各個(gè)分機根據需要有數據時(shí)才主動(dòng)發(fā)送，無(wú)需主機不停的輪詢(xún)，從而節省網(wǎng)絡(luò )上的數據流量，提高傳輸效率。

現有的監控設備大多采用的是RS一232或RS一485串行通信，為在此基礎上組建CAN通信網(wǎng)絡(luò )，筆者設計了一款便攜式CAN總線(xiàn)接口轉換卡，該轉換卡可采用鋰電池作為供電電源，功耗低、體積小、重量輕，可滿(mǎn)足便攜式需要。

3 系統硬件結構設計

德州儀器公司的MSP430系列單片機是一種超低功耗微控制器，電壓范圍為 1.8V～3.6V。該處理器通過(guò)16位RISC系統、16位CPU、集成寄存器和常量發(fā)生器來(lái)獲得最大代碼效率。MSP430系列超低功耗微控制器是應用于工業(yè)控制、數字化電機控制、手持式儀表等設備中的理想微控制器。本設計選用MSP430F449型單片機，它具有豐富的片上模塊：最多8路12位 A/D轉換器、48個(gè)I／O端口、2個(gè)UART看門(mén)狗、2個(gè)內置16位定時(shí)器、可在線(xiàn)仿真的Flash內存、7路PWM輸出、LCD驅動(dòng)等。

便攜式CAN總線(xiàn)接口轉換卡的電氣結構原理框圖如圖2所示，它由電源模塊、CAN通信接口電路、串口電平轉換電路、緩存和LCD模塊組成。

3.1 CAN通信接口電路

系統硬件以Philips公司的SJA1000型CAN總線(xiàn)控制器為核心，它是一款獨立的CAN總線(xiàn)控制器，主要用于工業(yè)環(huán)境中。它也是Philips半導體PCA82C200型CAN控制器(Basic CAN)的替代產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單總線(xiàn)連接的SJA1000可完成CAN總線(xiàn)的物理層和數據鏈路層的所有功能。SJA1000由CAN核心模塊、發(fā)送緩沖區、接口FIFO、驗收濾波器和接口管理邏輯組成。CAN核心模塊主要負責CAN信息幀的收發(fā)和CAN協(xié)議的實(shí)現，接口管理邏輯負責SJA1000與主控制器的接口。在進(jìn)行數據傳輸時(shí)，主控制器把標識符和數據送入發(fā)送緩沖區后請求發(fā)送，從而啟動(dòng)CAN核心模塊讀取發(fā)送緩存區中的數據，再按CAN協(xié)議封裝成完整的CAN信息幀，通過(guò)收發(fā)器發(fā)往總線(xiàn)，發(fā)送緩存區的容量為13字節。驗收濾波器單元對接收到的信息進(jìn)行處理后送到接收FIFO中，接收FIFO為64字節。PCA82C250型CAN總線(xiàn)收發(fā)器是CAN控制器與物理總線(xiàn)之間的接口，它提供了CAN控制器向總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送、接收能力。該收發(fā)器依靠引腳8 (RS)的不同連接可以選擇3種不同的工作方式：高速、斜率控制和待機方式。通過(guò)RS引腳對地連接的電阻器可對總線(xiàn)進(jìn)行斜率控制，斜率正比于引腳RS上的電流輸出。對于傳輸速率要求較高的應用場(chǎng)合，通常將引腳8直接接地以選擇高速方式。在此方式下，發(fā)送器輸出晶體管簡(jiǎn)單地以盡可能快的速度啟閉，不采取任何措施限制上升和下降斜率，因此必須采用屏蔽電纜以避免射頻干擾。CAN控制器的發(fā)送和接收端口分別通過(guò)1個(gè)光電隔離電路與PCA82C250連接，有效地抑制了總線(xiàn)引入的干
擾。

3.2 串口電平轉換模塊

在本設計中，MSP430F449只用1個(gè)USART接口，而CAN轉換卡集成了RS232、RS485 2個(gè)通信模塊，設計中通過(guò)DIP開(kāi)關(guān)選擇接口類(lèi)型。RS232和RS485串口電平轉換模塊分別選用Maxim公司的MAX3221和MAX3485。

3.3 電源模塊

整個(gè)系統除由鋰電池供電外，還可以用小型變壓器等外部電源供電，以滿(mǎn)足不同場(chǎng)合的需求。選用TPS7333作為MSP430F449的穩壓電源輸出3.3V 的系統供電電壓。為保證數據正常傳輸，電源電路中還配有bq24012型電池充電管理電路，以便在電池電量較低、可能會(huì )影響正常數據傳輸時(shí)及時(shí)報警，提醒更換電池或充電。

3.4 緩存和LCD模塊

為了節省PC的工作時(shí)間，設計時(shí)用TMS44400型動(dòng)態(tài)存儲器擴展動(dòng)態(tài)存儲區間，傳輸數據時(shí)首先讀取報頭信息以決定是實(shí)時(shí)傳輸還是緩存操作。MSP430F449帶有液晶驅動(dòng)模塊，設計中選用東顯公司的 EDS805型液晶顯示模塊，用它實(shí)時(shí)顯示系統的狀態(tài)特性、數據的傳輸速度、剩余時(shí)間等，它還可以進(jìn)行電源欠壓報警。

4 軟件設計

MSP430的內核結構采用具有高透明格式的精簡(jiǎn)指令(RSIC)設計。CAN信息的接收和發(fā)送一樣，是由CAN控制器自動(dòng)完成的，程序只需從相應的緩存器中讀取相應的數據，再進(jìn)行相應的處理即可。在此系統中，單片機完成初始化任務(wù)后進(jìn)入低功耗睡眠狀態(tài)，任一中斷均可將其喚醒，轉而執行相應的中斷服務(wù)子程序。系統的2個(gè)中斷源分別為PC串口發(fā)送和下位機CAN信息接收，這樣做的好處是盡可能地避免由于數據超限而引起的數據重發(fā)。圖3示出系統CAN初始化流程，圖4示出發(fā)送中斷服務(wù)程序流程。由于篇幅關(guān)系，本文略去接收中斷服務(wù)程序流程，其流程大致與發(fā)送流程相反。

5 結束語(yǔ)

本文介紹了CAN總線(xiàn)通信接口轉換卡的軟硬件設計，期望給研究CAN總線(xiàn)應用的設計人員提供一些借鑒和幫助。所介紹的CAN總線(xiàn)通信接口轉換卡的結構簡(jiǎn)單且抗干擾能力強，非常適用于構成中小型分布式測控網(wǎng)絡(luò )。隨著(zhù)支持CAN協(xié)議的器件不斷增多，CAN器件的價(jià)格會(huì )進(jìn)一步降低，在自動(dòng)化領(lǐng)域中的應用也會(huì )越來(lái)越廣泛。