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C8051F040在基于CAN總線的分布式測控系統(tǒng)中的應(yīng)用

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作者:武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院 趙瑞峰 胡榮強(qiáng) 湖北 武漢第717研究所 鄭存紅 時間:2007-09-17 來源:國外電子元器件 收藏

  摘要:CYGNAL生產(chǎn)的單片機(jī)是代表8位單片機(jī)發(fā)展方向的高速(25M)混合信號系統(tǒng)級芯片(SOC)它不僅集成了一般測控系統(tǒng)需要的外設(shè),而且集成了很有發(fā)展前景的現(xiàn)場總線—控制器,文中對該芯片中的CAN控制器結(jié)構(gòu)作了分析,并給出了在測控系統(tǒng)中使用該芯片的智能節(jié)點的硬件、軟件設(shè)計方案。

    關(guān)鍵詞:;

1 概述

  在線測控系統(tǒng)是由多個面向設(shè)備的、以MCU為核心的智能處理單元和多個并行運行且具有不同監(jiān)測和故障診斷功能的微機(jī)構(gòu)成的。該系統(tǒng)采取“分治”的設(shè)計思想它將數(shù)據(jù)采集以及部分?jǐn)?shù)據(jù)處理任務(wù)交給設(shè)備層的智能處理單元去完成而監(jiān)測診斷層主要負(fù)責(zé)監(jiān)視和故障診斷。分布式測控系統(tǒng)設(shè)計均應(yīng)考慮各個節(jié)點之間的通信問題因為通信網(wǎng)絡(luò)的選取對系統(tǒng)性能有很大影響。 國內(nèi)已開展了基于現(xiàn)場總線的在線測控系統(tǒng)的研究并利用CAN總線實現(xiàn)設(shè)備層的檢測處理、單元間的通信以及與上層監(jiān)測主機(jī)的通信。CAN總線就是一種支持分布式實時控制系統(tǒng)的串行通信局域網(wǎng)絡(luò)總線。它的主要特點如下:

  ●任一個節(jié)點均可在任一時刻主動向網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù),而從不分主從,因此,通信比較靈活;

  ●節(jié)點可分為不同的優(yōu)先級,可以滿足不同的實時要求;

  ●采用非破壞性總線仲裁,當(dāng)兩節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時,優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù);

  ●通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km,通信最高速率可達(dá)1Mbps

  ●每幀數(shù)據(jù)的有效字節(jié)數(shù)為8,因此,可保證很短的傳輸時間,而且實時性強(qiáng),受干擾的概率低;

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

  ●CAN總線節(jié)點在嚴(yán)重錯誤的情況下,可自動切斷與總線的聯(lián)系,以使總線上的其它操作不受影響。

  目前,CAN總線協(xié)議以其可靠性高、實時性好以及獨特的設(shè)計已經(jīng)成為總線通信網(wǎng)絡(luò)的首選國內(nèi)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的集成度,因此,很多微處理器生產(chǎn)廠家已經(jīng)開始生產(chǎn)內(nèi)部集成有CAN控制器的MCU。美國CYGNAL公司生產(chǎn)C8051F040就是內(nèi)部集成有BOSCH CAN控制器的混合信號系統(tǒng)級芯片(SOC)。本文將分析C8051F040 的CAN總線結(jié)構(gòu)、與CPU 的接口及初始化配置,同時將給出基于C8051F040的分布式的設(shè)計及系統(tǒng)的實現(xiàn)框架。

2 C8051F040及其內(nèi)部BOTSH CAN

  Cygnal公司的單片機(jī)C8051F040具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內(nèi)核。它的最高頻率可達(dá)25MHz內(nèi)置64kB FLASH RAM和4kB的數(shù)據(jù)存儲器。C8051F040在一個芯片內(nèi)集成了構(gòu)成單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)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、定時器、內(nèi)部振蕩器、看門狗電路以及CAN 控制器等,這種高度集成為設(shè)計小體積、低功耗、高可靠和高性能的測控系統(tǒng)提供了方便,同時也使測控設(shè)備整體成本能夠降低。

 ?。茫福埃担保疲埃矗皟?nèi)部集成有BOTSH CAN,它兼容CAN技術(shù)規(guī)范2.0A和2.0B,主要由CAN內(nèi)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(nèi)部的CAN總線結(jié)構(gòu)圖。

    圖1中,CAN內(nèi)核由CAN協(xié)議控制器和負(fù)責(zé)消息收發(fā)的串行/并行轉(zhuǎn)換RX/TX移位寄存器組成。消息RAM用于存儲消息目標(biāo)和每個目標(biāo)的仲裁掩碼。這種CAN處理器有32個隨意配置為發(fā)送和接受的消息目標(biāo)并且每一個消息目標(biāo)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,而不是由CIP-51來完成。

 ?。茫粒蝺?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(shè)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(biāo)、讀?。茫粒螤顟B(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CAN0STA 3個寄存器可直接獲取或修改CAN 控制器中對應(yīng)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的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(dāng)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(dāng)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。

  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。

3 基于C8051F040的智能系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

  工業(yè)測控現(xiàn)場通常存在著大量的傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電子控制單元,它們一般分布較廣,而且對實時性要求也很高,圖3是基于CAN總線的分布式測控系統(tǒng)框圖。該系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線式集散系統(tǒng)FDCSField Distributed Control System結(jié)構(gòu),它由主控站(注:CAN總線各節(jié)點并不分主從 這里是針對特定的系統(tǒng)而言)、C8051F040為MCU的智能節(jié)點并配以CAN現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。主控站主要完成對各節(jié)點的在線監(jiān)控以及對各節(jié)點返回信息的分析處理,并對節(jié)點發(fā)出控制命令以控制節(jié)點工作模式。智能節(jié)點則根據(jù)主控站命令來完成數(shù)據(jù)采集、運行顯示以及對執(zhí)行部件的控制,以及各節(jié)點與主站、節(jié)點與節(jié)點之間的實時數(shù)據(jù)交換和信息控制。

  圖4是一個以C8051F040為核心的智能節(jié)點設(shè)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收發(fā)器才能與CAN物理總線相連。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芯片具有電磁輻射低、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(jié)點的抗干擾能力,將CAN引腳通過高速光耦6N137與總線收發(fā)器相連,可實現(xiàn)各節(jié)點之間的電氣隔離。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5V隔離輸出的開關(guān)電源模塊。這樣能大大提高節(jié)點的穩(wěn)定性和可靠性,但可能會增加節(jié)點的硬件復(fù)雜性。

3.2 節(jié)點軟件設(shè)計

  對于一個實際的測控系統(tǒng),其節(jié)點軟件是比較復(fù)雜的,但由于C8051F040具有與8051指令完全兼容的CIP-51內(nèi)核,所以,對于有使用51系列單片機(jī)經(jīng)驗的人來說,這并沒有太大的難度,下面主要介紹C8051F040內(nèi)置CAN的軟件設(shè)計。

  如果需要某一節(jié)點將A/D采樣值通過CAN總線送到主控站(地址01H),且配置系統(tǒng)時設(shè)定的工作頻率為25MHzCANTX引腳設(shè)為推挽方式,那么在初始化過程中,波特率應(yīng)配置為160kbps,消息目標(biāo)禁止不用,配置消息目標(biāo)2為接收時的程序代碼如下:

CAN_INIT:

MOV SFRPAGE,#01H

ORL CAN0CN,#41H ;設(shè)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(biāo)(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,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R1指向的消息目標(biāo)

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(biāo)2為接收

MOV CAN0ADR,#21H

MOV CAN0DATL,#11111000B; 寫IF2命令掩碼

MOV CAN0DATH,#00H

MOV CAN0DATL,#00H ;寫IF2掩碼1

MOV CAN0DATH,#00H

MOV CAN0DATL,#00H ; 寫IF2掩碼2

MOV CAN0DATL,#00H ; 寫IF2仲裁寄存器1

MOV CAN0DATH,#80H ; 寫IF2仲裁寄存器2高8位

消息目標(biāo)有效,標(biāo)準(zhǔn)仲裁幀,方向為接收

MOV CAN0DATL,#00H ; 寫IF2仲裁寄存器2低8位

MOV CAN0DATH,#00010100B; 寫IF2控制寄存器高位

MOV CAN0DATL,#80H ; 寫IF2控制寄存器低位

MOV CAN0ADR, #20H

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

WAIT_TRANSFER_OVER1;

MOV A,CAN0DATH ; 讀命令寄存器

JB ACC.7,WAIT_TRANSFER_OVER1

; 等待寫結(jié)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)送過程是將存儲在從BUF0起始地址中的2個字節(jié)的A/D采樣數(shù)據(jù),通過IF1傳送到消息目標(biāo)1的過程。其啟動發(fā)送程序代碼如下:

SEND_AD_DATA:

MOV SFRPAGE, #01H

MOV CAN0ADR, #09H

MOV CAN0DATL,#10110111B

; 寫IF1命令掩碼寄存器

MOV CAN0ADR, #0DH

MOV CAN0DATH,#10100000B ;使用11位標(biāo)準(zhǔn)仲幀

    MOV CAN0DATL,#04H ;寫IF1仲裁寄存器2,發(fā)送對象的地址01因標(biāo)準(zhǔn)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IF1數(shù)據(jù)0

INC DPTR

MOVX A,@DPTR

MOV CAN0ADR,#0FH

MOV CAN0DATH,A ; 寫IF1數(shù)據(jù)1

MOV CAN0ADR, #08H

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

RET

4 結(jié)束語

 ?。茫纾睿幔旃镜膯纹瑱C(jī)C8051F040是一種完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片(SOC),它具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內(nèi)核代表了8位單片機(jī)的發(fā)展方向。它不僅集成有構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)常用的外設(shè),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;本文使用該芯片設(shè)計的測控系統(tǒng)智能節(jié)點具有集成度高、性能穩(wěn)定等特點。由于C8051F040可達(dá)到25MHz工作頻率,因而可提高系統(tǒng)實時性。此外,由于BOTSCH CAN內(nèi)有32個自帶掩碼消息目標(biāo)的特殊設(shè)計,因此,用其進(jìn)行分布式在線測控系統(tǒng)節(jié)點之間的相互數(shù)據(jù)傳遞設(shè)計將更為簡單。

 



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