基于C8051F040的CAN總線(xiàn)智能節點(diǎn)設計

摘要： 給出了基于C8051F040的智能節點(diǎn)硬件、軟件設計方案。

關(guān)鍵詞： CAN總線(xiàn)；C8051F040；智能節點(diǎn)

引言

“X型火控系統”根據實(shí)際需要采用了CAN總線(xiàn)方式來(lái)實(shí)現其內部單體間的通信。CAN總線(xiàn)是一種用于各種設備檢測及控制的現場(chǎng)總線(xiàn)，它是一種多主總線(xiàn)，在高速網(wǎng)絡(luò )和低成本的節點(diǎn)系統中應用都很廣泛。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。其特點(diǎn)如下：
*可以多主方式工作。
*CAN節點(diǎn)只需對報文的標識符濾波即可實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播方式發(fā)送和接收數據。
*CAN總線(xiàn)通信格式采用短幀格式。
*采用非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù)。
*直接通信距離最大可達10km (速率5kb/s以下)，最高通信速率可達1Mb/s (此時(shí)距離最長(cháng)為40m)，節點(diǎn)數可達110個(gè)，通信介質(zhì)可以是雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光導纖維。
*CAN總線(xiàn)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。

C8051F040及其內部CAN控制器

C8051F040內部集成有CAN控制器，主要由CAN內核、消息RAM、消息處理單元和控制寄存器組成，圖１為C8051F040集成CAN的結構圖。

圖1中，CAN內核由CAN控制器和負責消息收發(fā)的內部寄存器組成，消息RAM用于存儲消息目標和每個(gè)目標的仲裁掩碼，并且每一個(gè)消息目標都有它自己的識別掩碼，所有的數據傳輸和接收濾波都是由CAN控制器完成的。消息處理單元用于根據寄存器中的信息來(lái)控制CAN內核中移位寄存器和消息ＲＡＭ之間的數據傳遞，同時(shí)它還可用來(lái)管理中斷的產(chǎn)生。

圖1  C8051F040集成CAN的結構圖

CAN內部寄存器中存儲了所有CAN的控制和配置信息，其中包括控制寄存器、狀態(tài)寄存器、設置波特率的位定時(shí)寄存器 、測試寄存器、錯誤計數器和消息接口寄存器。通常CAN內核不能直接訪(fǎng)問(wèn)消息RAM，而必須通過(guò)接口寄存器IF1或IF2來(lái)訪(fǎng)問(wèn)。另外，CIP-51的SFR并不能直接訪(fǎng)問(wèn)CAN內部寄存器的所有單元，其配置CAN、消息目標、讀取CAN狀態(tài)以及獲取接收數據、傳遞發(fā)送數據都由SFR中的６個(gè)特殊寄存器來(lái)完成。其中CAN0ＣＮ、CAN0TST和CAN0STA３個(gè)寄存器可直接獲取或修改CAN 控制器中對應的寄存器，而CAN0DATH、CAN0DATL、CAN0ADR ３個(gè)寄存器主要用來(lái)訪(fǎng)問(wèn)修改其它不能直接訪(fǎng)問(wèn)CAN內部寄存器，其中CAN0ADR用來(lái)指出要訪(fǎng)問(wèn)寄存器的地址，CAN0DATH、CAN0DATL這時(shí)就相當于要訪(fǎng)問(wèn)的１６位寄存器的高、低字節的映射寄存器，而對它們的讀寫(xiě)則相當于對所指向寄存器的讀寫(xiě)。圖２給出了CIP-51如何訪(fǎng)問(wèn)CAN中控制寄存器和每個(gè)消息的路徑圖。

圖２ CIP-51訪(fǎng)問(wèn)CAN中控制寄存器和每個(gè)消息的路徑圖

基于C8051F040的CAN智能節點(diǎn)設計

由于CAN總線(xiàn)采用多主方式工作，所以CAN總線(xiàn)系統具有與DCS(分布式控制系統)不一樣的拓撲結構。圖3所示是某型火控系統的總線(xiàn)系統結構。該系統結構最大的特點(diǎn)就是所有的節點(diǎn)都能以平等的地位掛接在總線(xiàn)上。CAN總線(xiàn)智能節點(diǎn)之間能夠相互進(jìn)行通信，以完成數據交換。一個(gè)智能節點(diǎn)通常至少包括三個(gè)部分，即負責節點(diǎn)任務(wù)控制的單片機、總線(xiàn)控制器及總線(xiàn)收發(fā)器。由于C8051F040單片機為內部集成有CAN控制器，因此智能節點(diǎn)主要由C8051F040和CAN收發(fā)器TJA1050組成。

圖3 某型火控系統的CAN總線(xiàn)結構

圖4是一個(gè)以C8051F040為核心的智能節點(diǎn)硬件框圖。由于C8051F040集成的是CAN控制器，要使CAN總線(xiàn)得以運行，還需外加CAN總線(xiàn)收發(fā)器，常用的CAN總線(xiàn)收發(fā)器有Philips公司的PCA82C250收發(fā)器、高速TJA1050收發(fā)器等。本系統采用了TJA1050高速CAN收發(fā)器來(lái)替代傳統的PCA82C250收發(fā)器，TJA1050具有電磁輻射低、防短路、不上電時(shí)對總線(xiàn)無(wú)影響等特點(diǎn)，它的引腳Ｓ可以選擇高速或靜音兩種模式，并可由C8051F040的P4.0控制，CAN總線(xiàn)上兩端節點(diǎn)8一般加上兩個(gè)60W的電阻和47nf的電容對信號吸收，以避免信號反射。為了進(jìn)一步提高系統的抗干擾能力，在CAN控制器引腳CANTX、CANRX和收發(fā)器TJA1050之間并不是直接相連，而是通過(guò)由高速光耦6N137構成的隔離電路后再與TJA1050相連，這樣就可以很好的實(shí)現總線(xiàn)上各節點(diǎn)的電氣隔離。這部分增加了節點(diǎn)的復雜性，但它卻提高了節點(diǎn)的穩定性和安全性。

圖4  智能節點(diǎn)硬件框圖

CAN智能節點(diǎn)主要完成的任務(wù)是：將相關(guān)數據數傳送給其它節點(diǎn)，同時(shí)從總線(xiàn)上接收本節點(diǎn)所需要的數據。因此智能節點(diǎn)的CAN通信主要包括系統初始化程序、發(fā)送程序、接收程序等。在本例中，系統軟件采用結構化程序設計方案，使其具有較好的模塊性和可移植性，對于不同的系統功能或不同的應用環(huán)境，可以方便地進(jìn)行編程重組。

系統初始化程序

初始化程序主要完成對所有的報文對象進(jìn)行初始化(一般將所有值置零)，對CAN控制寄存器(CAN0CN)、位定時(shí)寄存器(BITREG)進(jìn)行設置，還要對發(fā)送報文對象和接收報文對象分別進(jìn)行初始化。其中，位定時(shí)寄存器的設置較為復雜，這里我們使用外部晶振為8MHz，CAN通信速率為500k/s，得到BITREG的初始值為0x2301。主程序中規定對象初始化、發(fā)送和接收初始化，最后才啟動(dòng)CAN處理機制(對BITREG和CAN0CN初始化)，下面為CAN啟動(dòng)程序：
void start_CAN(void){
SFPRAGE=CAN0_PAGE;  //指向CAN0
   頁(yè)面
CAN0CN|=0x41;  //將CCE和Init置“1”
   開(kāi)始初始化
CAN0ADR=BITREG； //指向位定時(shí)寄存器
   進(jìn)行配置
CAN0DAT=0x2301;  //位率為500k/s
CAN0CN|=0x06;  //允許全局中斷，IE和
   SIE置位
CAN0CN &=～0x41;  //清楚CCE和INIT
   位，啟動(dòng)CAN狀態(tài)機制
             }

發(fā)送程序

CAN報文發(fā)送是由CAN控制器自動(dòng)完成的，用戶(hù)只需根據接收到的遠程幀的識別符，將對應的數據轉移到發(fā)送緩沖寄存器，然后將此報文對象的編碼寫(xiě)入命令請求寄存器啟動(dòng)發(fā)送即可，而發(fā)送由硬件來(lái)完成。這里，我們使用定時(shí)更新發(fā)送報文對象中的數據，數據的發(fā)送有控制器自動(dòng)完成，當其收到一個(gè)遠程幀時(shí)，就將具有相同識別符的數據幀發(fā)送出去。其發(fā)送程序結構如下：
void transmit_message(char MsgNum)  {  
uchar  i;
SFRPAGE=CAN0_PAGE;  //指向CAN0
   頁(yè)面
CAN0ADR=IF1CMDMSK;  //向IF1命令
   屏蔽寄存器寫(xiě)入命令
        CAN0DAT =0x0083;   //位率為500k/s
 CAN0ADR=IF1ARB2;  //指向IF1仲裁
   寄存器2
CAN0DATH |= 0x80;
        CAN0ADR=IF1DATA1;  //指向數據
   場(chǎng)的第一個(gè)字節
         for(i=0;i<4;i++){
CAN0DATH=can_temp[i];  //將4字節數據
   寫(xiě)入發(fā)送緩沖器
           }
        CAN0ADR=IF1CMDRQST;
 CAN0DATL=MsgNum;  //將報文對象編
   號寫(xiě)入，則數據發(fā)送到
   對應的報文對象
}

接收程序

CAN報文的接收與發(fā)送一樣，是由CAN控制器自動(dòng)完成的，接收程序只需從接收緩存器中讀取接收的數據，再進(jìn)行相應的處理即可。其基本方法與發(fā)送程序一致，只是接收程序采用中斷方式。在此應用中，接收程序主要接收上位機對智能節點(diǎn)的參數設置數據，只有當修改時(shí)才需要接收數據，所以采用中斷方式處理比較合適。接收程序結構如下：
void receive_data(void) {
SFRPAGE=CAN0_PAGE;  //指向CAN0    頁(yè)面
CAN0ADR=IF2CMDMSK;  //向IF2命令
   屏蔽寄存器寫(xiě)命令
CAN0DATH =0x00;  //位率為500k/s
CAN0DATL =0x3F; 
CAN0ADR=IF2CMDRQST;  //將報文對象
   編號寫(xiě)入命令請求寄存
   器，對應接收         CAN0DATL=MsgNum;  //得到數據就從報
   文RAM中移到數據
   緩沖器中
CAN0ADR=IF2DATA1;  //指向數據場(chǎng)的
   第一個(gè)字節
for(i=0;i<4;i++)
          { CAN_RX[i]=CAN0DAT;   //讀取
   4個(gè)字節數據
           }
　　　　　　}
　　　　　　
結語(yǔ)

在CAN總線(xiàn)的開(kāi)發(fā)試驗過(guò)程中，經(jīng)過(guò)實(shí)際測試，我們設計的基于C8051F040的CAN總線(xiàn)智能節點(diǎn)具有集成度高、性能穩定、抗電磁干擾能力強等特點(diǎn)。在通信波特率設置為500kbps時(shí)通信順暢，實(shí)現了某型火控系統內部單體間通信的可靠性、實(shí)時(shí)性、靈活性。

參考文獻：
1. 鄔寬明，CAN總線(xiàn)原理和應用系統設計，北京航空航天出版社，1996.
2. 童長(cháng)飛，C8051F系列單片機開(kāi)發(fā)與C語(yǔ)言編程，北京航空航天出版社，2005.
3. 饒運濤，現場(chǎng)總線(xiàn)CAN原理及應用技術(shù)，航空航天大學(xué)出版社，2003.