《電子技術(shù)應用》
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基于C8051F040的CAN總線智能節(jié)點設計
電子產(chǎn)品世界
李金剛 付志偉
摘要: 在CAN總線的開發(fā)試驗過程中,經(jīng)過實際測試,我們設計的基于C8051F040的CAN總線智能節(jié)點具有集成度高、性能穩(wěn)定、抗電磁干擾能力強等特點。在通信波特率設置為500kbps時通信順暢,實現(xiàn)了某型火控系統(tǒng)內(nèi)部單體間通信的可靠性、實時性、靈活性。
關(guān)鍵詞: 51單片機 C8051F040 CAN總線
Abstract:
Key words :

引言

“X型火控系統(tǒng)”根據(jù)實際需要采用了CAN總線方式來實現(xiàn)其內(nèi)部單體間的通信。CAN總線是一種用于各種設備檢測及控制的現(xiàn)場總線,它是一種多主總線,在高速網(wǎng)絡和低成本的節(jié)點系統(tǒng)中應用都很廣泛。CAN總線與一般的通信總線相比,它的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。其特點如下:

*可以多主方式工作。
*CAN節(jié)點只需對報文的標識符濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。
*CAN總線通信格式采用短幀格式。
*采用非破壞性總線仲裁技術(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 (此時距離最長為40m),節(jié)點數(shù)可達110個,通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。
*CAN總線采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能,保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。

C8051F040及其內(nèi)部CAN控制器

C8051F040內(nèi)部集成有CAN控制器,主要由CAN內(nèi)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(jié)構(gòu)圖。

圖1中,CAN內(nèi)核由CAN控制器和負責消息收發(fā)的內(nèi)部寄存器組成,消息RAM用于存儲消息目標和每個目標的仲裁掩碼,并且每一個消息目標都有它自己的識別掩碼,所有的數(shù)據(jù)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(jù)寄存器中的信息來控制CAN內(nèi)核中移位寄存器和消息RAM之間的數(shù)據(jù)傳遞,同時它還可用來管理中斷的產(chǎn)生。

圖1 C8051F040集成CAN的結(jié)構(gòu)圖

CAN內(nèi)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寄存器 、測試寄存器、錯誤計數(shù)器和消息接口寄存器。通常CAN內(nèi)核不能直接訪問消息RAM,而必須通過接口寄存器IF1或IF2來訪問。另外,CIP-51的SFR并不能直接訪問CAN內(nèi)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(shù)據(jù)、傳遞發(fā)送數(shù)據(jù)都由SFR中的6個特殊寄存器來完成。其中CAN0CN、CAN0TST和CAN0STA3個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個寄存器主要用來訪問修改其它不能直接訪問CAN內(nèi)部寄存器,其中CAN0ADR用來指出要訪問寄存器的地址,CAN0DATH、CAN0DATL這時就相當于要訪問的16位寄存器的高、低字節(jié)的映射寄存器,而對它們的讀寫則相當于對所指向寄存器的讀寫。圖2給出了CIP-51如何訪問CAN中控制寄存器和每個消息的路徑圖。

圖2 CIP-51訪問CAN中控制寄存器和每個消息的路徑圖

基于C8051F040的CAN智能節(jié)點設計

由于CAN總線采用多主方式工作,所以CAN總線系統(tǒng)具有與DCS(分布式控制系統(tǒng))不一樣的拓撲結(jié)構(gòu)。圖3所示是某型火控系統(tǒng)的總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最大的特點就是所有的節(jié)點都能以平等的地位掛接在總線上。CAN總線智能節(jié)點之間能夠相互進行通信,以完成數(shù)據(jù)交換。一個智能節(jié)點通常至少包括三個部分,即負責節(jié)點任務控制的單片機、總線控制器及總線收發(fā)器。由于C8051F040單片機為內(nèi)部集成有CAN控制器,因此智能節(jié)點主要由C8051F040和CAN收發(fā)器TJA1050組成。

圖3 某型火控系統(tǒng)的CAN總線結(jié)構(gòu)

圖4是一個以C8051F040為核心的智能節(jié)點硬件框圖。由于C8051F040集成的是CAN控制器,要使CAN總線得以運行,還需外加CAN總線收發(fā)器,常用的CAN總線收發(fā)器有Philips公司的PCA82C250收發(fā)器、高速TJA1050收發(fā)器等。本系統(tǒng)采用了TJA1050高速CAN收發(fā)器來替代傳統(tǒng)的PCA82C250收發(fā)器,TJA1050具有電磁輻射低、防短路、不上電時對總線無影響等特點,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總線上兩端節(jié)點8一般加上兩個60W的電阻和47nf的電容對信號吸收,以避免信號反射。為了進一步提高系統(tǒng)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,而是通過由高速光耦6N137構(gòu)成的隔離電路后再與TJA1050相連,這樣就可以很好的實現(xiàn)總線上各節(jié)點的電氣隔離。這部分增加了節(jié)點的復雜性,但它卻提高了節(jié)點的穩(wěn)定性和安全性。

圖4 智能節(jié)點硬件框圖

CAN智能節(jié)點主要完成的任務是:將相關(guān)數(shù)據(jù)數(shù)傳送給其它節(jié)點,同時從總線上接收本節(jié)點所需要的數(shù)據(jù)。因此智能節(jié)點的CAN通信主要包括系統(tǒng)初始化程序、發(fā)送程序、接收程序等。在本例中,系統(tǒng)軟件采用結(jié)構(gòu)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(tǒng)功能或不同的應用環(huán)境,可以方便地進行編程重組。

系統(tǒng)初始化程序

初始化程序主要完成對所有的報文對象進行初始化(一般將所有值置零),對CAN控制寄存器(CAN0CN)、位定時寄存器(BITREG)進行設置,還要對發(fā)送報文對象和接收報文對象分別進行初始化。其中,位定時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(guī)定對象初始化、發(fā)送和接收初始化,最后才啟動CAN處理機制(對BITREG和CAN0CN初始化),下面為CAN啟動程序:

void start_CAN(void){
SFPRAGE=CAN0_PAGE; //指向CAN0
  頁面
CAN0CN|=0x41; //將CCE和Init置“1”
  開始初始化
CAN0ADR=BITREG; //指向位定時寄存器
  進行配置
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控制器自動完成的,用戶只需根據(jù)接收到的遠程幀的識別符,將對應的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到發(fā)送緩沖寄存器,然后將此報文對象的編碼寫入命令請求寄存器啟動發(fā)送即可,而發(fā)送由硬件來完成。這里,我們使用定時更新發(fā)送報文對象中的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)的發(fā)送有控制器自動完成,當其收到一個遠程幀時,就將具有相同識別符的數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去。其發(fā)送程序結(jié)構(gòu)如下:

void transmit_message(char MsgNum) {
uchar i;
SFRPAGE=CAN0_PAGE; //指向CAN0
  頁面
CAN0ADR=IF1CMDMSK; //向IF1命令
  屏蔽寄存器寫入命令
   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(shù)據(jù)
  場的第一個字節(jié)
     for(i=0;i<4;i++){
CAN0DATH=can_temp[i]; //將4字節(jié)數(shù)據(jù)
  寫入發(fā)送緩沖器
     }
CAN0ADR=IF1CMDRQST;
CAN0DATL=MsgNum;//將報文對象編
  號寫入,則數(shù)據(jù)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控制器自動完成的,接收程序只需從接收緩存器中讀取接收的數(shù)據(jù),再進行相應的處理即可。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(jié)點的參數(shù)設置數(shù)據(jù),只有當修改時才需要接收數(shù)據(jù),所以采用中斷方式處理比較合適。接收程序結(jié)構(gòu)如下:
void receive_data(void) {
SFRPAGE=CAN0_PAGE; //指向CAN0\頁面
CAN0ADR=IF2CMDMSK; //向IF2命令
  屏蔽寄存器寫命令
CAN0DATH =0x00; //位率為500k/s
CAN0DATL =0x3F;
CAN0ADR=IF2CMDRQST; //將報文對象
  編號寫入命令請求寄存
    器,對應接收    CAN0DATL=MsgNum; //得到數(shù)據(jù)就從報
  文RAM中移到數(shù)據(jù)
  緩沖器中
CAN0ADR=IF2DATA1; //指向數(shù)據(jù)場的
  第一個字節(jié)
for(i=0;i<4;i++)
     {CAN_RX[i]=CAN0DAT; //讀取
  4個字節(jié)數(shù)據(jù)
      }
      }
      
結(jié)語

在CAN總線的開發(fā)試驗過程中,經(jīng)過實際測試,我們設計的基于C8051F040的CAN總線智能節(jié)點具有集成度高、性能穩(wěn)定、抗電磁干擾能力強等特點。在通信波特率設置為500kbps時通信順暢,實現(xiàn)了某型火控系統(tǒng)內(nèi)部單體間通信的可靠性、實時性、靈活性。

參考文獻:
1. 鄔寬明,CAN總線原理和應用系統(tǒng)設計,北京航空航天出版社,1996.
2. 童長飛,C8051F系列單片機開發(fā)與C語言編程,北京航空航天出版社,2005.
3. 饒運濤,現(xiàn)場總線CAN原理及應用技術(shù),航空航天大學出版社,2003.

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