C8051F040在基于CAN總線的分布式測控系統(tǒng)中的應用

　　摘要：CYGNAL生產的單片機C8051F040是代表８位單片機發(fā)展方向的高速（25M）混合信號系統(tǒng)級芯片（SOC）它不僅集成了一般測控系統(tǒng)需要的外設，而且集成了很有發(fā)展前景的現(xiàn)場總線—CAN總線控制器，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(tǒng)中使用該芯片的智能節(jié)點的硬件、軟件設計方案。

    關鍵詞：C8051F040；CAN總線；分布式；測控節(jié)點

１　概述

　　分布式在線測控系統(tǒng)是由多個面向設備的、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構成的。該系統(tǒng)采取“分治”的設計思想它將數(shù)據(jù)采集以及部分數(shù)據(jù)處理任務交給設備層的智能處理單元去完成而監(jiān)測診斷層主要負責監(jiān)視和故障診斷。分布式測控系統(tǒng)設計均應考慮各個節(jié)點之間的通信問題因為通信網(wǎng)絡的選取對系統(tǒng)性能有很大影響。 國內已開展了基于現(xiàn)場總線的在線測控系統(tǒng)的研究并利用ＣＡＮ總線實現(xiàn)設備層的檢測處理、單元間的通信以及與上層監(jiān)測主機的通信。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)；

　　●通信距離最遠可達１０ｋｍ，通信最高速率可達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，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計已經(jīng)成為總線通信網(wǎng)絡的首選國內目前使用較廣的是ＰＨＩＬＩＰＳ 生產的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(jié)點的集成度，因此，很多微處理器生產廠家已經(jīng)開始生產內部集成有ＣＡＮ控制器的ＭＣＵ。美國ＣＹＧＮＡＬ公司生產Ｃ８０５１Ｆ０４０就是內部集成有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總線結構、與ＣＰＵ 的接口及初始化配置，同時將給出基于Ｃ８０５１Ｆ０４０的分布式測控節(jié)點的設計及系統(tǒng)的實現(xiàn)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(shù)據(jù)存儲器。Ｃ８０５１Ｆ０４０在一個芯片內集成了構成單片機數(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、內部振蕩器、看門狗電路以及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(tǒng)提供了方便，同時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技術規(guī)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目標的仲裁掩碼。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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，而不是由ＣＩＰ－５１來完成。

　　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(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。

　　消息處理單元用于根據(jù)寄存器中的信息來控制ＣＡＮ內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生。

３　基于Ｃ８０５１Ｆ０４０的智能系統(tǒng)設計

３．１ 硬件設計

　　工業(yè)測控現(xiàn)場通常存在著大量的傳感器、執(zhí)行機構和電子控制單元，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結構，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)絡構成。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)點的硬件復雜性。

３．２ 節(jié)點軟件設計

　　對于一個實際的測控系統(tǒng)，其節(jié)點軟件是比較復雜的，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)驗的人來說，這并沒有太大的難度，下面主要介紹Ｃ８０５１Ｆ０４０內置ＣＡＮ的軟件設計。

　　如果需要某一節(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)時設定的工作頻率為２５ＭＨｚＣＡＮＴＸ引腳設為推挽方式，那么在初始化過程中，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，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

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

消息目標有效，標準仲裁幀，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

ＷＡＩＴ_ＴＲＡＮＳＦＥＲ_ＯＶＥＲ１；

ＭＯＶ Ａ，ＣＡＮ０ＤＡＴＨ ； 讀命令寄存器

ＪＢ ＡＣＣ．７，ＷＡＩＴ_ＴＲＡＮＳＦＥＲ_ＯＶＥＲ１

; 等待寫結束

;ＣＡＮ進入操作模式

ＭＯＶ ＣＡＮ０ＣＮ,＃００００００１０Ｂ ； ＣＡＮ進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位標準仲幀

    ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃０４Ｈ ；寫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１及啟動發(fā)送

ＲＥＴ

４　結束語

　?。茫纾睿幔旃镜膯纹瑱CＣ８０５１Ｆ０４０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內核代表了８位單片機的發(fā)展方向。它不僅集成有構成監(jiān)控系統(tǒng)常用的外設，而且集成了逐漸成為控制領域首選的高可靠性、高性能Ｃ８０５１Ｆ０４０ ＣＡＮ總線;本文使用該芯片設計的測控系統(tǒng)智能節(jié)點具有集成度高、性能穩(wěn)定等特點。由于Ｃ８０５１Ｆ０４０可達到２５ＭＨｚ工作頻率，因而可提高系統(tǒng)實時性。此外，由于ＢＯＴＳＣＨ ＣＡＮ內有３２個自帶掩碼消息目標的特殊設計，因此，用其進行分布式在線測控系統(tǒng)節(jié)點之間的相互數(shù)據(jù)傳遞設計將更為簡單。