基于PIC單片機(jī)的嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)及其與PC的通信

摘   要：本文介紹了基于PIC16F874單片機(jī)的嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)，同時應(yīng)用PCL-841 CAN接口卡使嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)與PC之間實(shí)現(xiàn)了通信，完成了電壓、電流、溫度等信號的實(shí)時采集、可靠傳輸和實(shí)時顯示，實(shí)現(xiàn)了PC端對嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)PWM波輸出的脈沖寬度的控制。
關(guān)鍵詞：CAN總線； 智能節(jié)點(diǎn)； SPI； CAN控制器

引言
CAN總線是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，其通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對數(shù)據(jù)的成幀處理。CAN協(xié)議的一個最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊編碼，采用這種方法可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)個數(shù)在理論上不受限制，還可使不同的節(jié)點(diǎn)同時收到相同的數(shù)據(jù)。
本文介紹了嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)，并且應(yīng)用PC和嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)組成了CAN通信系統(tǒng)，完成了電壓、電流、溫度等信號的實(shí)時采集、可靠傳輸和實(shí)時顯示，實(shí)現(xiàn)了PC端對嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)PWM波輸出的脈沖寬度的控制。

基于PIC單片機(jī)的嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)
嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)以PIC16F874單片機(jī)作為嵌入式微控制器，以MCP2510作為CAN控制器，以PCA82C250作為CAN收發(fā)器，具有現(xiàn)場/遠(yuǎn)程控制功能。根據(jù)用戶的需求，嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)通過連接相應(yīng)的傳感器可以完成多種信號的實(shí)時采集、可靠傳輸和實(shí)時顯示，PWM波輸出可以用于控制相應(yīng)的負(fù)載。嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)通過外接電路可以實(shí)現(xiàn)電路保護(hù)、現(xiàn)場組態(tài)、自動調(diào)節(jié)、故障診斷報警、狀態(tài)檢測等功能，完成對電機(jī)、閥門、泵等電器的驅(qū)動和智能控制。
硬件設(shè)計(jì)
Microchip公司的單片機(jī)PIC16F874采用RISC指令系統(tǒng)，哈佛總線結(jié)構(gòu)，低功耗，高速度。內(nèi)部集成了ADC、串行外圍接口(SPI)和Flash程序存儲器等，具有PWM輸出、LCD驅(qū)動等功能。PIC16F874通過SPI接口可以實(shí)現(xiàn)與CAN控制器MCP2510的無縫連接。PIC16F874的I/O資源豐富，共有A、B、C、D、E五個I/O口，每個I/O口除了基本用途外還有一些特殊功能。
基于PIC16F874的嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)的硬件原理圖如圖1所示，主要包括以下四個模塊：
CAN通信模塊
嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)的CAN通信模塊由CAN控制器MCP2510和CAN收發(fā)器PCA82C250組成。MCP2510可以完成CAN總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能，支持高速SPI接口(最高數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到5Mb/s)，支持CAN2.0A/CAN2.0B協(xié)議。CAN收發(fā)器PCA82C250是CAN控制器與物理總線之間的接口，對物理總線提供差動發(fā)送能力，對CAN控制器提供差動接收能力，同時它可以增大通信距離，提高嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力。
PIC16F874通過SPI與CAN控制器MCP2510連接，其串行數(shù)據(jù)輸入(SDI)腳與MCP2510的SO腳相連，其串行數(shù)據(jù)輸出(SDO)腳與MCP2510的SI腳相連，其串行時鐘(SCK)腳與MCP2510的SCK腳相連。MCP2510的復(fù)位信號、片選信號由單片機(jī)A口的RA5、RA2提供，MCP2510的中斷信號、接收緩沖區(qū)滿中斷信號輸出到單片機(jī)B口的RB0、RB5。
通過設(shè)置PIC16F874的SPI接口狀態(tài)寄存器和控制寄存器使SPI接口工作于主動方式。PIC16F874與MCP2510進(jìn)行通信時的時序是非常重要的。發(fā)送數(shù)據(jù)時，先發(fā)送寫指令，再發(fā)送寄存器地址，最后發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)MCP2510接收到由總線傳來的數(shù)據(jù)時會產(chǎn)生中斷，單片機(jī)響應(yīng)中斷，讀取數(shù)據(jù)時先發(fā)送讀指令，再發(fā)送寄存器地址，數(shù)據(jù)會自動寫入單片機(jī)SPI接口的緩沖器中。
顯示模塊
嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)采用OCMJ4Χ8顯示模塊，該顯示模塊可以顯示漢字、ASCII碼等，其所有的設(shè)置初始化工作都可以在上電時自動完成。
OCMJ4Χ8顯示模塊的數(shù)據(jù)線DB0~DB7與單片機(jī)的D口相連，請求(REQ)腳、應(yīng)答(BUSY)腳分別與單片機(jī)B口的RB4、E口的RE2相連。顯示模塊的RT1、RT2引腳外接可調(diào)電阻用于調(diào)節(jié)LCD的亮度。
顯示模塊接口協(xié)議為請求/應(yīng)答(REQ/BUSY)握手方式。BUSY為高電平表示顯示模塊忙；當(dāng)BUSY為低電平時表示顯示模塊空閑，等待接收命令。單片機(jī)先向顯示模塊發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，然后發(fā)送請求信號，請求顯示模塊進(jìn)行處理，顯示模塊置BUSY為高電平，對命令或數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理結(jié)束后置BUSY為低電平。
模擬量獲取模塊
PIC16F874單片機(jī)A口的RA0、RA1、RA3用于模擬量輸入。嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)的模擬量獲取模塊的主要功能是將需要采集的電流信號通過電流互感器轉(zhuǎn)換為電壓信號，將需要采集的溫度信號通過溫度傳感器AD590轉(zhuǎn)換為電壓信號。
開關(guān)量輸入/輸出模塊
嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)通過I/O擴(kuò)展提供了4路開關(guān)量輸入和7路開關(guān)量輸出。開關(guān)量輸入用于電路的保護(hù)、故障報警、狀態(tài)檢測等，只要被控制對象擁有相應(yīng)的檢測元件，接入相應(yīng)的接口即可。開關(guān)量輸出用于驅(qū)動繼電器，可以根據(jù)負(fù)載的大小確定是否需要連接接觸器控制電機(jī)、閥門、泵等電器執(zhí)行元件。根據(jù)用戶的需求，此部分電路可以做相應(yīng)的變化。
軟件設(shè)計(jì)
嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)的軟件采用匯編語言編寫，主要完成對PIC16F874(I/O口、定時器等)、SPI接口(串行口狀態(tài)寄存器SSPSTAT、串行口控制寄存器SSPCON等)、顯示模塊、I/O擴(kuò)展芯片8255和CAN控制器MCP2510(位定時配置寄存器、CAN信息接收過濾和屏蔽控制寄存器、接收發(fā)送緩沖區(qū)控制寄存器等)的初始化，設(shè)定發(fā)送、接收標(biāo)識碼(ID)，讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)值，設(shè)置嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)PWM波輸出的脈沖寬度，處理、顯示并發(fā)送采集的數(shù)據(jù)，接收、處理并顯示由總線傳來的數(shù)據(jù)等工作。
初始化系統(tǒng)
程序需要對PIC16F874單片機(jī)、顯示模塊、I/O擴(kuò)展芯片8255和CAN控制器MCP2510進(jìn)行初始化。其中對MCP2510初始化是非常重要的，主要包括設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈?，將?biāo)識碼和屏蔽字寫入CAN信息接收過濾和屏蔽控制寄存器。對PIC16F874進(jìn)行初始化時，要特別注意定時器TMR2的初始化。
設(shè)定發(fā)送、接收標(biāo)識碼
PIC16F874單片機(jī)C口的RC0、RC1、RC6、RC7引腳連接了一個撥碼開關(guān)。程序通過讀取這四個引腳的狀態(tài)為每個嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)分配了發(fā)送、接收標(biāo)識碼的初始值。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中智能節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多時，這種方法可以方便程序的編寫。
讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)值
PIC16F874的A口和E口可以作為模擬量輸入口，共有8個輸入通道。A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果存儲于單片機(jī)的ADRES寄存器。程序首先設(shè)置單片機(jī)的A/D控制寄存器ADCON1的bit3~bit0，選擇每個通道的輸入/輸出類型并設(shè)置參考電壓為5V，然后設(shè)置單片機(jī)的 A/D控制寄存器ADCON0的bit5~bit3選擇通道，設(shè)置bit0打開ADC，設(shè)置bit2啟動ADC，最后從單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器ADRES中讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)值。
設(shè)置PWM波輸出的脈沖寬度
PIC16F874的CCP1引腳用于PWM波輸出。程序首先設(shè)置單片機(jī)的CCP1模塊控制寄存器CCP1CON的bit3~bit0，定義工作方式為PWM，然后用從PC端接收到的用于設(shè)置嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)PWM波輸出的脈沖寬度的數(shù)據(jù)設(shè)置單片機(jī)的CCP1控制寄存器CCP1CON的bit5~bit4和CCPR1L寄存器，即實(shí)現(xiàn)了PC端對嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)PWM波輸出的脈沖寬度的控制。
發(fā)送數(shù)據(jù)
程序?yàn)槊總€需要傳送到PC端的信號(電壓、電流、溫度、嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)PWM波輸出的脈沖寬度)都分配了一個標(biāo)識碼。發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先向MCP2510發(fā)送寫指令，再將標(biāo)識碼、幀格式和數(shù)據(jù)長度的定義、需要發(fā)送的數(shù)據(jù)依次寫入MCP2510相應(yīng)的寄存器中。
接收數(shù)據(jù)
程序讀取CAN控制器MCP2510的中斷標(biāo)志寄存器的值，判斷接收緩沖區(qū)中是否有數(shù)據(jù)，當(dāng)接收緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)時向MCP2510發(fā)送讀指令，依次將標(biāo)識碼、幀格式和數(shù)據(jù)長度、接收到的數(shù)據(jù)從MCP2510相應(yīng)的寄存器中讀出。
處理和顯示數(shù)據(jù)
A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)值經(jīng)過程序處理后得到信號的真實(shí)值并送顯示模塊進(jìn)行顯示，主要包括數(shù)值和漢字、英文字符的顯示。同時完成了嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)PWM波輸出的脈沖寬度和從PC端接收到的數(shù)據(jù)的顯示。
PC端功能的實(shí)現(xiàn)
硬件部分
PC端采用了研華公司的PCL-841雙端口CAN接口卡，該卡具有兩個CAN通信口，最高數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到1Mbps。該卡采用內(nèi)存映射機(jī)制，即將CAN接口卡上的內(nèi)存映射至主存中，用戶可以根據(jù)需要自己設(shè)定映射內(nèi)存的基地址。
軟件部分
PC端的軟件采用C語言編寫，主要完成CAN信息的實(shí)時讀取、處理和顯示，向嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)和設(shè)置嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)PWM波輸出的脈沖寬度等工作。

設(shè)計(jì)、調(diào)試中應(yīng)當(dāng)注意的一些問題
硬件方面
嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)
設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)注意處理好復(fù)位和時鐘信號，包括不同器件之間復(fù)位的先后時序。在進(jìn)行溫度信號的采集時，要特別注意溫度傳感器AD590的調(diào)零。AD590是一個恒流源，它的特性是絕對溫度每變化1℃電流增/減1mA，絕對溫度0℃時為0mA。為抵消AD590在0℃時的電壓，需要加入一個負(fù)電源使其在0℃時輸出為0V，再選擇合適的電阻把電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷?，就可以把溫度信號的采集變?yōu)?~5V電壓信號的采集。
調(diào)試過程中應(yīng)首先檢查各芯片的工作電壓是否正常，晶振是否起振，復(fù)位信號是否正確。要經(jīng)常察看各芯片的發(fā)熱狀況，出現(xiàn)溫度過高時應(yīng)立即斷電檢查。必要時可使用示波器觀測信號波形進(jìn)行分析。
PC端
由于PCL-841雙端口CAN接口卡占用PC的串口資源，因此在BIOS設(shè)置中應(yīng)將串口設(shè)置為Disable，還應(yīng)該特別注意CAN接口卡占用的內(nèi)存資源是否被其它硬件占用，如果已經(jīng)被占用，則應(yīng)修改CAN接口卡內(nèi)存映射的首地址，同時更改CAN接口卡上的跳線，否則CAN接口卡無法正常工作。
軟件方面
嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)
在編寫嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)的程序時，需要特別注意的是CAN控制器MCP2510的初始化，務(wù)必使一個系統(tǒng)中的所有智能節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸波特率相同，否則嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)將無法和PC端進(jìn)行通信。應(yīng)當(dāng)注意必須正確地將標(biāo)識碼和屏蔽字寫入MCP2510的CAN信息接收過濾和屏蔽控制寄存器，否則嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)將無法正確的發(fā)送和接收CAN信息。
調(diào)試過程中應(yīng)注意通過查看各個寄存器的值來判斷程序執(zhí)行的程度。
PC端
在編寫PC端的程序時，需要將PCL-841雙端口CAN接口卡驅(qū)動程序庫CAN841S.LIB嵌入到自己的工程中，驅(qū)動程序庫中封裝了直接操控CAN接口卡的函數(shù)。對CAN接口卡進(jìn)行操控時必須按照規(guī)定流程進(jìn)行，否則CAN接口卡無法正常工作或者無法正確的發(fā)送和接收CAN信息。
調(diào)試過程中應(yīng)采取下斷點(diǎn)和單步執(zhí)行相結(jié)合的調(diào)試方法，注意根據(jù)函數(shù)的返值來分析出現(xiàn)問題的原因。

結(jié)語
本課題初步完成了基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集和智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、傳輸可靠，通過了有關(guān)部門的專業(yè)測試。同時設(shè)計(jì)的嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)可以迅速、準(zhǔn)確地接收到PC端發(fā)送的數(shù)據(jù)。■

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