C8051F040在基于CAN總線(xiàn)的分布式測控系統中的應用

　　摘要：CYGNAL生產(chǎn)的單片機C8051F040是代表８位單片機發(fā)展方向的高速（25M）混合信號系統級芯片（SOC）它不僅集成了一般測控系統需要的外設，而且集成了很有發(fā)展前景的現場(chǎng)總線(xiàn)—CAN總線(xiàn)控制器，文中對該芯片中的CAN控制器結構作了分析，并給出了在分布式測控系統中使用該芯片的智能節點(diǎn)的硬件、軟件設計方案。

    關(guān)鍵詞：C8051F040；CAN總線(xiàn)；分布式；測控節點(diǎn)

１　概述

　　分布式在線(xiàn)測控系統是由多個(gè)面向設備的、以ＭＣＵ為核心的智能處理單元和多個(gè)并行運行且具有不同監測和故障診斷功能的微機構成的。該系統采取“分治”的設計思想它將數據采集以及部分數據處理任務(wù)交給設備層的智能處理單元去完成而監測診斷層主要負責監視和故障診斷。分布式測控系統設計均應考慮各個(gè)節點(diǎn)之間的通信問(wèn)題因為通信網(wǎng)絡(luò )的選取對系統性能有很大影響。 國內已開(kāi)展了基于現場(chǎng)總線(xiàn)的在線(xiàn)測控系統的研究并利用ＣＡＮ總線(xiàn)實(shí)現設備層的檢測處理、單元間的通信以及與上層監測主機的通信。ＣＡＮ總線(xiàn)就是一種支持分布式實(shí)時(shí)控制系統的串行通信局域網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)。它的主要特點(diǎn)如下:

　　●任一個(gè)節點(diǎn)均可在任一時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò )上的其它節點(diǎn)發(fā)送數據,而從不分主從,因此，通信比較靈活;

　　●節點(diǎn)可分為不同的優(yōu)先級,可以滿(mǎn)足不同的實(shí)時(shí)要求;

　　●采用非破壞性總線(xiàn)仲裁,當兩節點(diǎn)同時(shí)向總線(xiàn)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)可不受影響地繼續發(fā)送數據；

　　●通信距離最遠可達１０ｋｍ，通信最高速率可達１Ｍｂｐｓ

　　●每幀數據的有效字節數為８，因此，可保證很短的傳輸時(shí)間，而且實(shí)時(shí)性強，受干擾的概率低；

    ●每幀數據都含有ＣＲＣ（循環(huán)冗余）校驗及其它校驗措施，因而數據出錯率很低；

　　●ＣＡＮ總線(xiàn)節點(diǎn)在嚴重錯誤的情況下，可自動(dòng)切斷與總線(xiàn)的聯(lián)系，以使總線(xiàn)上的其它操作不受影響。

　　目前，ＣＡＮ總線(xiàn)協(xié)議以其可靠性高、實(shí)時(shí)性好以及獨特的設計已經(jīng)成為總線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )的首選國內目前使用較廣的是ＰＨＩＬＩＰＳ 生產(chǎn)的ＳＪＡ１０００ 、８２Ｃ２００等獨立的ＣＡＮ控制器，由于這種獨立的控制器限制了測控節點(diǎn)的集成度，因此，很多微處理器生產(chǎn)廠(chǎng)家已經(jīng)開(kāi)始生產(chǎn)內部集成有ＣＡＮ控制器的ＭＣＵ。美國ＣＹＧＮＡＬ公司生產(chǎn)Ｃ８０５１Ｆ０４０就是內部集成有ＢＯＳＣＨ ＣＡＮ控制器的混合信號系統級芯片（ＳＯＣ）。本文將分析Ｃ８０５１Ｆ０４０ 的ＣＡＮ總線(xiàn)結構、與ＣＰＵ 的接口及初始化配置，同時(shí)將給出基于Ｃ８０５１Ｆ０４０的分布式測控節點(diǎn)的設計及系統的實(shí)現框架。

２ Ｃ８０５１Ｆ０４０及其內部ＢＯＴＳＨ ＣＡＮ

　?。茫纾睿幔旃镜膯纹瑱CＣ８０５１Ｆ０４０具有與８０５１指令集完全兼容的ＣＩＰ－５１內核。它的最高頻率可達２５ＭＨｚ內置６４ｋＢ ＦＬＡＳＨ ＲＡＭ和４ｋＢ的數據存儲器。Ｃ８０５１Ｆ０４０在一個(gè)芯片內集成了構成單片機數據采集或控制系統所需要的幾乎所有模擬和數字外設及其它功能部件，包括ＡＤＣ、可編程增益放大器、ＤＡＣ、電壓比較器、溫度傳感器、ＳＭＢｕｓ／Ｉ２Ｃ、ＵＡＲＴ、ＳＰＩ、定時(shí)器、內部振蕩器、看門(mén)狗電路以及ＣＡＮ 控制器等，這種高度集成為設計小體積、低功耗、高可靠和高性能的測控系統提供了方便，同時(shí)也使測控設備整體成本能夠降低。

　?。茫福埃担保疲埃矗皟炔考捎校拢希裕樱?ＣＡＮ，它兼容ＣＡＮ技術(shù)規范２．０Ａ和２．０Ｂ，主要由ＣＡＮ內核、消息ＲＡＭ（獨立于ＣＩＰ－５１的ＲＡＭ）、消息處理單元和控制寄存器組成，圖１所示是Ｃ８０５１Ｆ０４０內部的ＣＡＮ總線(xiàn)結構圖。

    圖１中，ＣＡＮ內核由ＣＡＮ協(xié)議控制器和負責消息收發(fā)的串行／并行轉換ＲＸ／ＴＸ移位寄存器組成。消息ＲＡＭ用于存儲消息目標和每個(gè)目標的仲裁掩碼。這種ＣＡＮ處理器有３２個(gè)隨意配置為發(fā)送和接受的消息目標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，而不是由ＣＩＰ－５１來(lái)完成。

　?。茫粒蝺炔考拇嫫髦写鎯α怂校茫粒蔚目刂坪团渲眯畔?，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?。茫粒螤顟B(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ＣＡＮ０ＳＴＡ ３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)的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。

　　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。

３　基于Ｃ８０５１Ｆ０４０的智能系統設計

３．１ 硬件設計

　　工業(yè)測控現場(chǎng)通常存在著(zhù)大量的傳感器、執行機構和電子控制單元，它們一般分布較廣，而且對實(shí)時(shí)性要求也很高，圖３是基于ＣＡＮ總線(xiàn)的分布式測控系統框圖。該系統采用現場(chǎng)總線(xiàn)式集散系統ＦＤＣＳＦｉｅｌｄ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ結構，它由主控站（注：ＣＡＮ總線(xiàn)各節點(diǎn)并不分主從 這里是針對特定的系統而言）、Ｃ８０５１Ｆ０４０為ＭＣＵ的智能節點(diǎn)并配以ＣＡＮ現場(chǎng)總線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò )構成。主控站主要完成對各節點(diǎn)的在線(xiàn)監控以及對各節點(diǎn)返回信息的分析處理，并對節點(diǎn)發(fā)出控制命令以控制節點(diǎn)工作模式。智能節點(diǎn)則根據主控站命令來(lái)完成數據采集、運行顯示以及對執行部件的控制，以及各節點(diǎn)與主站、節點(diǎn)與節點(diǎn)之間的實(shí)時(shí)數據交換和信息控制。

　　圖４是一個(gè)以Ｃ８０５１Ｆ０４０為核心的智能節點(diǎn)設計原理圖。

　　圖中，Ｃ８０５１Ｆ０４０的６、７腳分別為ＣＡＮＲＸ和ＣＡＮＴＸ引腳，ＣＡＮ的輸出輸入必須加總線(xiàn)收發(fā)器才能與ＣＡＮ物理總線(xiàn)相連。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芯片具有電磁輻射低、防短路、不上電時(shí)對總線(xiàn)無(wú)影響等特點(diǎn)，它的８腳Ｓ可以選擇高速或靜音兩種模式，并可由Ｃ８０５１Ｆ０４０的Ｐ４．０控制。為了增加ＣＡＮ 節點(diǎn)的抗干擾能力，將ＣＡＮ引腳通過(guò)高速光耦６Ｎ１３７與總線(xiàn)收發(fā)器相連，可實(shí)現各節點(diǎn)之間的電氣隔離。電源的隔離可以采用小功率電源隔離模塊，也可以用帶多個(gè)５Ｖ隔離輸出的開(kāi)關(guān)電源模塊。這樣能大大提高節點(diǎn)的穩定性和可靠性，但可能會(huì )增加節點(diǎn)的硬件復雜性。

３．２ 節點(diǎn)軟件設計

　　對于一個(gè)實(shí)際的測控系統，其節點(diǎn)軟件是比較復雜的，但由于Ｃ８０５１Ｆ０４０具有與８０５１指令完全兼容的ＣＩＰ－５１內核，所以，對于有使用５１系列單片機經(jīng)驗的人來(lái)說(shuō)，這并沒(méi)有太大的難度，下面主要介紹Ｃ８０５１Ｆ０４０內置ＣＡＮ的軟件設計。

　　如果需要某一節點(diǎn)將Ａ／Ｄ采樣值通過(guò)ＣＡＮ總線(xiàn)送到主控站（地址０１Ｈ），且配置系統時(shí)設定的工作頻率為２５ＭＨｚＣＡＮＴＸ引腳設為推挽方式，那么在初始化過(guò)程中，波特率應配置為１６０ｋｂｐｓ，消息目標禁止不用，配置消息目標２為接收時(shí)的程序代碼如下：

ＣＡＮ_ＩＮＩＴ：

ＭＯＶ ＳＦＲＰＡＧＥ，＃０１Ｈ

ＯＲＬ ＣＡＮ０ＣＮ，＃４１Ｈ ；設ＩＮＩＴ位為１， ＣＣＥ為１

； 配置波特率

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＡＤＲ，＃０３Ｈ

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＨ，＃７ＦＨ

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃０５Ｈ

；禁止不用的消息目標（３－３２）

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＡＤＲ， ＃０ＤＨ ； 指向ＩＦ１的仲裁控制寄存器２

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＨ，＃００Ｈ ； ＭＡＧＶＡＬ＝０；

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＡＤＲ，＃０９Ｈ ； 指向ＩＦ１的命令掩碼寄存器

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃０Ａ０Ｈ ； 方向為寫(xiě)，改變仲裁位

ＭＯＶ Ｒ１，＃２０Ｈ

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＡＤＲ， ＃０８Ｈ ；指向ＩＦ１的命令寄存器

ＥＮＡＢＬＥ_ＭＥＳＳＡＧＥ_ＯＢＪＥＣＴＳ：

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，Ｒ１ ；寫(xiě)Ｒ１指向的消息目標

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＡＤＲ， ＃０８Ｈ ；指向ＩＦ１的命令寄存器

ＷＡＩＴ_ＴＲＡＮＳＦＥＲ_ＯＶＥＲ

ＭＯＶ Ａ，ＣＡＮ０ＤＡＴＨ ；讀命令寄存器

ＪＢ ＡＣＣ．７，ＷＡＩＴ_ＴＲＡＮＳＦＥＲ_ＯＶＥＲ

ＤＥＣ Ｒ１

ＣＪＮＥ Ｒ１，＃０２Ｈ，ＥＮＡＢＬＥ_ＭＥＳＳＡＧＥ_ＢＪＥＣＴＳ

；配置消息目標２為接收

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＡＤＲ，＃２１Ｈ

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃１１１１１０００Ｂ； 寫(xiě)ＩＦ２命令掩碼

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＨ，＃００Ｈ

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃００Ｈ ；寫(xiě)ＩＦ２掩碼１

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＨ，＃００Ｈ

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃００Ｈ ； 寫(xiě)ＩＦ２掩碼２

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃００Ｈ ； 寫(xiě)ＩＦ２仲裁寄存器１

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＨ，＃８０Ｈ ； 寫(xiě)ＩＦ２仲裁寄存器２高８位

消息目標有效，標準仲裁幀，方向為接收

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃００Ｈ ； 寫(xiě)ＩＦ２仲裁寄存器２低８位

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＨ，＃０００１０１００Ｂ； 寫(xiě)ＩＦ２控制寄存器高位

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃８０Ｈ ； 寫(xiě)ＩＦ２控制寄存器低位

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＡＤＲ， ＃２０Ｈ

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ， ＃０２Ｈ ； 通過(guò)ＩＦ２寫(xiě)２號消息目標

ＷＡＩＴ_ＴＲＡＮＳＦＥＲ_ＯＶＥＲ１；

ＭＯＶ Ａ，ＣＡＮ０ＤＡＴＨ ； 讀命令寄存器

ＪＢ ＡＣＣ．７，ＷＡＩＴ_ＴＲＡＮＳＦＥＲ_ＯＶＥＲ１

; 等待寫(xiě)結束

;ＣＡＮ進(jìn)入操作模式

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＣＮ,＃００００００１０Ｂ ； ＣＡＮ進(jìn)入正常操作模式狀態(tài)中斷使能，

ＲＥＴ

　　發(fā)送過(guò)程是將存儲在從ＢＵＦ０起始地址中的２個(gè)字節的Ａ／Ｄ采樣數據，通過(guò)ＩＦ１傳送到消息目標１的過(guò)程。其啟動(dòng)發(fā)送程序代碼如下：

ＳＥＮＤ_ＡＤ_ＤＡＴＡ：

ＭＯＶ ＳＦＲＰＡＧＥ， ＃０１Ｈ

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＡＤＲ， ＃０９Ｈ

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃１０１１０１１１Ｂ

； 寫(xiě)ＩＦ１命令掩碼寄存器

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＡＤＲ， ＃０ＤＨ

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＨ，＃１０１０００００Ｂ ；使用１１位標準仲幀

    ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃０４Ｈ ；寫(xiě)ＩＦ１仲裁寄存器２，發(fā)送對象的地址０１因標準幀使用高１１位，所以地址要左移２位指向控制寄存器

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＨ，＃００００１００１Ｂ ； 寫(xiě)ＩＦ１控制寄存器高８位，傳輸中斷使能，置傳輸請求位

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃０ＢＨ ； 寫(xiě)ＩＦ１控制寄存器低８ 位，ＥＯＢ＝１ ＤＬＣ＝０指向ＢＵＦ０

ＭＯＶ ＤＰＴＲ，ＢＵＦ０

ＭＯＶＸ Ａ，＠ＤＰＴＲ

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，Ａ ； 寫(xiě)ＩＦ１數據０

ＩＮＣ ＤＰＴＲ

ＭＯＶＸ Ａ，＠ＤＰＴＲ

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＡＤＲ，＃０ＦＨ

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＨ，Ａ ； 寫(xiě)ＩＦ１數據１

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＡＤＲ， ＃０８Ｈ

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃０１Ｈ ；傳遞到目標１及啟動(dòng)發(fā)送

ＲＥＴ

４　結束語(yǔ)

　?。茫纾睿幔旃镜膯纹瑱CＣ８０５１Ｆ０４０是一種完全集成的混合信號系統級芯片(ＳＯＣ)，它具有與８０５１指令集完全兼容的ＣＩＰ－５１內核代表了８位單片機的發(fā)展方向。它不僅集成有構成監控系統常用的外設，而且集成了逐漸成為控制領(lǐng)域首選的高可靠性、高性能Ｃ８０５１Ｆ０４０ ＣＡＮ總線(xiàn);本文使用該芯片設計的測控系統智能節點(diǎn)具有集成度高、性能穩定等特點(diǎn)。由于Ｃ８０５１Ｆ０４０可達到２５ＭＨｚ工作頻率，因而可提高系統實(shí)時(shí)性。此外，由于ＢＯＴＳＣＨ ＣＡＮ內有３２個(gè)自帶掩碼消息目標的特殊設計，因此，用其進(jìn)行分布式在線(xiàn)測控系統節點(diǎn)之間的相互數據傳遞設計將更為簡(jiǎn)單。