【文章內(nèi)容簡介】 智能節(jié)點(diǎn) CAN(Controller Area Network)總線，即控制器局域網(wǎng)。由于具有高性能、高可靠性以及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，CAN總線越來越受到人們的重視。德國的Bosch公司最初為汽車監(jiān)控和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了CAN總線，現(xiàn)在，其應(yīng)用已面向過程工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、紡織工業(yè)、農(nóng)用機(jī)械、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械及傳感器等領(lǐng)域發(fā)展。CAN總線已經(jīng)形成國際標(biāo)準(zhǔn)，并已經(jīng)公認(rèn)為是最有前途的現(xiàn)場總線之一。CAN總線規(guī)范已經(jīng)被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制訂為國際標(biāo)準(zhǔn)ISOll898，并得到眾多半導(dǎo)體器件廠商的支持，推出各種集成有CAN協(xié)議的產(chǎn)品。CAN總線系統(tǒng)智能節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)上報(bào)文的接收和發(fā)送站，一般由單片機(jī)和CAN控制器或二者合二為一組成。 MCP2510是Microchip公司生產(chǎn)的一種獨(dú)立的可編程CAN控制器芯片。本文將介紹新型的獨(dú)立CAN通信控制器MCP2510，并給出其在CAN總線系統(tǒng)智能節(jié)點(diǎn)中的應(yīng)用實(shí)例。1 MCP2510芯片介紹 MCP2510是一種帶有SPI接口的CAN控制器，DIP封裝如圖l所示。它支持CAN技術(shù)規(guī)范V2．OA／B。能夠發(fā)送或接收標(biāo)準(zhǔn)的和擴(kuò)展的信息幀，同時(shí)具有接收濾波和信息管理的功能。MCP2510通過SI接口與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)5Mbps，MCU可通過MCP2510與CAN總線上的其他MCU單元通信。MCP25lO內(nèi)含3個(gè)發(fā)送緩沖器和2個(gè)接收緩沖器，同時(shí)還具有靈活的中斷管理能力，這些特點(diǎn)使得MCU對CAN總線的操作變得非常簡便。1．1 MCP2510的主要特點(diǎn) ◇支持CANV2．OA／B； ◇具有SPI接口，支持SPI模式0，O和l，1； ◇內(nèi)含3個(gè)發(fā)送緩沖器和2個(gè)接收緩沖器，可對其優(yōu)先權(quán)進(jìn)行編程； ◇具有6個(gè)接收過濾器，2個(gè)接收過濾器屏蔽； ◇具有靈活的中斷管理能力； ◇采用低功耗CMOS工藝技術(shù)，其工作電壓范圍為3．0～5．5V，有效電流為5mA，維持電流為10μA； ◇工作溫度范圍為40～+125℃。 結(jié)構(gòu)及工作原理 MCP25lO有PDIP、SOIC和TSSOP三種封裝形式。圖2是MCP2510的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。CAN協(xié)議機(jī)負(fù)責(zé)與CAN總線的接口，SPI接口邏輯用于實(shí)現(xiàn)同MCU的通信，而寄存、緩沖器組與控制邏輯則用來完成各種方式的設(shè)定和操作控制?，F(xiàn)結(jié)合其工作過程將各部分的功能、原理作一介紹。(1)收發(fā)操作 MCP2510的發(fā)送操作通過3個(gè)發(fā)送緩沖器來實(shí)現(xiàn)。這3個(gè)發(fā)送緩沖器各占據(jù)14字節(jié)的SRAM。第1字節(jié)是控制寄存器TXBNCTRL，該寄存器用來設(shè)定信息發(fā)送的條件，且給出了信息的發(fā)送狀態(tài)；第2～6字節(jié)用來存放標(biāo)準(zhǔn)的和擴(kuò)展的標(biāo)識(shí)符以及仲裁信息；最后8字節(jié)則用來存放待發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。在進(jìn)行發(fā)送前，必須先對這些寄存器進(jìn)行初始化。(2)中斷管理 MCP2510有8個(gè)中斷源，包括發(fā)送中斷、接收中斷、錯(cuò)誤中斷及總線喚醒中斷等。利用中斷使能寄存器(CANINTE)和中斷屏蔽寄存器(CANINTF)可以方便地實(shí)現(xiàn)對各種中斷的有效管理。當(dāng)有中斷發(fā)生時(shí)，INT引腳變?yōu)榈碗娖讲⒈３衷诘碗娖?，直到MCU清除中斷為止。(3)錯(cuò)誤檢測 CAN協(xié)議具有CRCF錯(cuò)誤、應(yīng)答錯(cuò)誤、形式錯(cuò)誤、位錯(cuò)誤和填充錯(cuò)誤等檢測功能。MCP2510內(nèi)含接收出錯(cuò)計(jì)數(shù)器(REC)和發(fā)送出錯(cuò)計(jì)數(shù)器(TEC)兩個(gè)錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器。因而對網(wǎng)絡(luò)中的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)來說，都有可能因?yàn)殄e(cuò)誤計(jì)數(shù)器的數(shù)值不同而使其處于錯(cuò)誤一激話、錯(cuò)誤一認(rèn)可和總線一脫離3種狀態(tài)之一。2 MCP2510在智能節(jié)點(diǎn)中的應(yīng)用實(shí)例 利用MCP2510和CAN總線收發(fā)器TJAl050可構(gòu)成一個(gè)CAN總線分布式測控網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)可包括一個(gè)主控制器和多個(gè)節(jié)點(diǎn)控制器，這種節(jié)點(diǎn)控制器可對電動(dòng)機(jī)的電流、電壓及周圍的溫度進(jìn)行監(jiān)控，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。 這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用了總線式結(jié)構(gòu)和無源抽頭連接，且結(jié)構(gòu)簡單、成本低，因而系統(tǒng)的可靠性較高。其信息傳輸采用CAN通信協(xié)議，通信介質(zhì)采用雙絞線。由于CAN總線是基于發(fā)送報(bào)文的編碼，不對CAN控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編碼，故系統(tǒng)的可擴(kuò)充性比較好，同時(shí)增刪CAN總線上的控制節(jié)點(diǎn)不會(huì)對系統(tǒng)的其余節(jié)點(diǎn)造成任何影響。 節(jié)點(diǎn)控制器的MCU可選用具有SPI接口的微處理器，也可采用不帶SPI接口的微處理器。本系統(tǒng)采用的是不帶SPI接口的微處理器AT89C5l。AT89C51可通過P1口與CAN控制器的SPI接口直接相連，并用軟件算法來實(shí)現(xiàn)SPI接口協(xié)議。CAN總線收發(fā)器TJAl050則作為MCP2510與物理總線的接口。如果需要進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，則可在MCP2510和TJAl050之間再加一個(gè)光電隔離器。 智能節(jié)點(diǎn)電路原理圖如圖4所示。2．1 軟件設(shè)計(jì) MCP2510正常工作之前，需要進(jìn)行正確的初始化，包括設(shè)置SPI接口的數(shù)據(jù)傳輸速率、CAN通信的波特率、MCP25lO的接收過濾器和屏蔽器以及發(fā)送和接收中斷允許標(biāo)志位等。與SJAl000不同的是，單片機(jī)對MCP2510的接收緩沖器和發(fā)送緩沖器的操作，必須通過SPI接口用MCP25lO內(nèi)置讀寫命令來完成。其讀、寫命令時(shí)序圖如圖5和圖6所示。 本文中MCP2510主要采取中斷模式進(jìn)行總線數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。整個(gè)系統(tǒng)主序提供兩種中斷：定時(shí)器中斷和外部中斷。定時(shí)器中斷的中斷子程序主要負(fù)責(zé)處理來自模擬通道AINO～AIN7的A／D數(shù)據(jù)，向MCP25lO發(fā)送“數(shù)據(jù)發(fā)送請求命令”以及發(fā)送數(shù)據(jù)。外部中斷的中斷處理子程序主要包括CAN總線錯(cuò)誤處理子程序和數(shù)據(jù)接收子程序。2．2 軟件主體設(shè)計(jì)流程 軟件主體設(shè)計(jì)流程如圖7所示。軟件設(shè)計(jì)時(shí)需要注意以下問題： ①因?yàn)镸CP2510在初始化完成后處于默認(rèn)Configuration模式下，所以就需要在MCP2510的初始化完后將其置為Normal模式，否則MCP2510將一直停留在Configuration模式下，不能正常進(jìn)行工作。將MCP2510置Normal模式可通過使用MCP2510內(nèi)置的BitModify(位修改)4指令向CANCTRL控制字寫入一個(gè)0字節(jié)來實(shí)現(xiàn)。 ②在對MCP2510進(jìn)行任何操作之前，都要由微處理器向MCP2510的片選CS輸出一個(gè)低電平，使得MCP2510選通。 ③在執(zhí)行MCP2510的“讀”操作時(shí)，發(fā)送完讀指令及其地址碼之后，仍然需要向MCP2510提供時(shí)鐘，以接收“讀”到的數(shù)據(jù)。可以通過向MCP2510發(fā)送一個(gè)O字節(jié)來實(shí)現(xiàn)。 ④在對MCP2510完成任意操作后，都要延時(shí)一段時(shí)間，使其有足夠的時(shí)間來準(zhǔn)備接收下次操作的命令，防止出現(xiàn)MCP2510“忙”的情況。3 總 結(jié) CAN總線已被公認(rèn)為是最有前途的幾種現(xiàn)場總線之一。因其性價(jià)比高、實(shí)現(xiàn)簡單等突出優(yōu)點(diǎn)深受越來越多的研發(fā)人員的青睞。本文的智能節(jié)點(diǎn)可聯(lián)結(jié)多個(gè)集散控制系統(tǒng)，其軟硬件電路的設(shè)計(jì)方法同樣適合于其他基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。 21IC中國電子網(wǎng) → 應(yīng)用 → 單片機(jī) 詳文窗體頂端電子工程周刊： Error! Reference source not found.　Error! Reference source not found. ←自動(dòng)接收新聞，資料，設(shè)計(jì)應(yīng)用 窗體底端基于μPD780822型單片機(jī)的客車CAN總線燈光節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[日期：2008222]來源：國外電子元器件 作者：于劍峰，李軍偉，高 松，高小群[字體：大 中 小] 摘要：采用μPD780822型單片機(jī)的CAN總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)客車車燈控制和工作狀態(tài)檢測。介紹CAN總線和智能開關(guān)在客車車燈控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。給出節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)方案，介紹節(jié)點(diǎn)控制軟件的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；μPD780822；CAN總線；智能開關(guān)；節(jié)點(diǎn) 1 引言 CAN(Controller Area Network)是德國Bosch公司最先提出的，是目前汽車控制器局域網(wǎng)中最流行、最常用的總線。它的主要特點(diǎn)是：CAN總線為多主站總線，各節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，不分主從，通信靈活；CAN總線采用獨(dú)特的非破壞性總線仲裁技術(shù)，優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)先傳送數(shù)據(jù)，能滿足實(shí)時(shí)性要求；CAN總線具有點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播傳送數(shù)據(jù)的功能；CAN總線上每幀有效字節(jié)數(shù)最多為8個(gè)，并有CRC及其他校驗(yàn)措施，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低，某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤，可自動(dòng)脫離總線，總線上的其他操作不受影響；CAN總線只有2條導(dǎo)線，系統(tǒng)擴(kuò)充時(shí)可直接將新節(jié)點(diǎn)掛在總線上，因此走線少，系統(tǒng)容易擴(kuò)充，改型靈活；CAN總線傳輸速度快，在傳輸距離小于40 m時(shí)，最大傳輸速率可達(dá)1 Mb/s。CAN總線的應(yīng)用不僅能簡化線束，實(shí)現(xiàn)傳感器共享，降低系統(tǒng)成本，而且能大大降低車輛的故障率。CAN總線在汽車上的應(yīng)用是現(xiàn)代汽車技術(shù)的發(fā)展趨勢。2 CAN總線在汽車中的應(yīng)用 目前，汽車中的網(wǎng)絡(luò)連接主要采用2條CAN總線，一條是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高速CAN總線，速率達(dá)500 kb/s，另一條是車身系統(tǒng)的低速CAN總線，速率是100 kb/s。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的CAN主要連接對象是發(fā)動(dòng)機(jī)控制器(ECU)、ASR及ABS控制器、安全氣囊控制器、組合儀表等，其基本特征相同，都是控制與汽車行駛直接相關(guān)的系統(tǒng)。車身系統(tǒng)的CAN主要連接對象是4門以上的中控門鎖、電動(dòng)車窗、后視鏡和車廂內(nèi)照明燈等。有些先進(jìn)的轎車除了上述2條CAN總線外，還會(huì)有第3條CAN總線，它的主要連接對象是衛(wèi)星導(dǎo)航及智能通信系統(tǒng)。 在國外尤其是在歐洲，CAN已成為現(xiàn)代汽車中必不可少的裝置，CAN總線技術(shù)正日趨成熟，應(yīng)用也越來越廣，奔馳、寶馬、大眾、沃爾沃、雷諾等汽車都采用CAN作為控制器聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)。國內(nèi)對CAN總線的研究剛剛起步，到目前為止還沒有較成功的應(yīng)用。但我國對車輛局域網(wǎng)絡(luò)總線技術(shù)的研究與開發(fā)非常重視，最近國家有關(guān)部門對CAN總線在豪華大客車上的應(yīng)用做出明確規(guī)定。相信這一政策的出臺(tái)必將大大促進(jìn)相關(guān)企業(yè)和科研單位對汽車CAN總線的研究與開發(fā)應(yīng)用。本文討論客車車身CAN總線系統(tǒng)中的車燈節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，它屬于低速CAN總線上的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。3 單片機(jī)及其CAN總線模塊 NEC是僅次于Freescale的世界第二大車用單片機(jī)制造商，由于其在中國推廣的比較晚，國內(nèi)企業(yè)使用得并不多。CAN總線模塊是μPD780822型單片機(jī)的一個(gè)外設(shè)，是一個(gè)完整的CAN控制器?？蓾M足車身CAN總線網(wǎng)絡(luò)的要求。除了具有CAN的基本功能外，還包括一些特有功能，如時(shí)間同步功能、可編程的CAN總線喚醒和CPU喚醒功能、可編程的總線關(guān)閉時(shí)發(fā)送底層復(fù)位功能等。對CAN總線的訪問分為控制/狀態(tài)寄存器的訪問和發(fā)送/接收緩沖器的訪問。 CAN控制器發(fā)送的信息幀分為二種：發(fā)送數(shù)據(jù)幀和發(fā)送遠(yuǎn)程幀。有二個(gè)發(fā)送緩沖器，其中一個(gè)為16字節(jié)，一個(gè)為8字節(jié)。16字節(jié)的緩沖器可以存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀二種格式的數(shù)據(jù)幀，8字節(jié)的緩沖器可以用來存儲(chǔ)要發(fā)送的數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，在數(shù)據(jù)寫到發(fā)送緩沖器后，如果相應(yīng)的發(fā)送請求位使能，則數(shù)據(jù)被發(fā)送到CAN總線上，數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)可以用軟件設(shè)置成1～8個(gè)字節(jié)。數(shù)據(jù)幀的格式如圖1所示。 CAN控制器接收信息時(shí)首先要將接收信息的標(biāo)識(shí)符與相應(yīng)緩沖器的標(biāo)識(shí)符進(jìn)行比較，只有標(biāo)識(shí)符相同的信息才能被接收。μPD780822型單片機(jī)的CAN模塊有2個(gè)獨(dú)立的發(fā)送緩沖器，2個(gè)緩沖器共用1個(gè)16字節(jié)的數(shù)據(jù)區(qū)來存儲(chǔ)最多8字節(jié)數(shù)據(jù)的CAN幀。發(fā)送區(qū)和接收區(qū)的結(jié)構(gòu)相似，當(dāng)標(biāo)志位和控制位沒有設(shè)置為CAN專用時(shí)，CPU可以把其作為普通的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)使用。 控制器接收緩沖器有16個(gè)，接收信息幀時(shí)用的緩沖器區(qū)由信息數(shù)量寄存器(MCNT)決定。從總線上接收的信息被直接存儲(chǔ)在發(fā)送緩沖區(qū)中。工作中沒有使用的接收緩沖區(qū)可以被CPU作為普通的RAM使用。每個(gè)接收緩沖器都有其可編程的中斷使能位。4 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn) 客車車身CAN系統(tǒng)包括主控節(jié)點(diǎn)、燈光節(jié)點(diǎn)、空調(diào)節(jié)點(diǎn)、車門節(jié)點(diǎn)和儀表節(jié)點(diǎn)等，如圖2所示。其中，前車燈節(jié)點(diǎn)控制包括前左、右示廓燈，前左、右位燈，前左、右遇險(xiǎn)報(bào)警燈，前左、右駐車燈，左、右前照燈遠(yuǎn)光，左、右前照燈近光，前左、右霧燈和前左、右轉(zhuǎn)向燈等16個(gè)控制單位。后車燈節(jié)點(diǎn)控制包括后左、右示廓燈，后左、右轉(zhuǎn)向燈，后左、右制動(dòng)燈，后左、右位燈，后左、右霧燈和后左、右倒車燈等12個(gè)控制單位。主控節(jié)點(diǎn)主要接收來自駕駛員的一些開關(guān)輸入信號(hào)。儀表節(jié)點(diǎn)主要通過接收總線上的數(shù)據(jù)來控制方向、水溫、機(jī)油壓力、制動(dòng)、車門、車燈、ABS/ARS和除霜等指示燈和控制儀表，以顯示車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、燃油、機(jī)油、電壓、步進(jìn)電機(jī)等數(shù)值?？照{(diào)節(jié)點(diǎn)控制空調(diào)的開關(guān)和車內(nèi)溫度的設(shè)定等。車門和后視鏡節(jié)點(diǎn)控制車門電磁閥開關(guān)、后視鏡調(diào)整開關(guān)和后視鏡加熱開關(guān)。安全節(jié)點(diǎn)監(jiān)控ABS和ECAS的電源。5 硬件電路設(shè)計(jì) 燈光節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，它包括燈光控制模塊和CAN接口模塊。燈光控制模塊由TLP5214型光電隔離器和BTS44BTS740型智能開關(guān)組成。TLP5214是4路光電隔離器，8個(gè)TLP5214組成32路光電隔離，把傳遞到開關(guān)和開關(guān)反饋的信號(hào)與單片機(jī)連接起來。BTS442是Infineon公司生產(chǎn)的單路輸出智能開關(guān)(PROFET)，具有允許較大瞬態(tài)電流(140 A以上)和較寬泛的溫度范圍(55℃～+150℃)等優(yōu)點(diǎn)，6個(gè)BTS442組成6路控制開關(guān)，控制大燈和霧燈等6個(gè)大電流負(fù)載。BTS740是lnfineon公司生產(chǎn)的4路輸出智能開關(guān)，把輸出的2路并作1路用，使其通過較大的瞬時(shí)電流。5個(gè)BTS740組成10路控制開關(guān)用以控制其余的小電流負(fù)載。BTS442和BTS740都有診斷反饋功能，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，BTS442的第4引腳和BTS740的第4引腳與第8引腳上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)低電平信號(hào)，通過光電隔離器把該信號(hào)接入單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)端點(diǎn)檢測功能，并通過CAN信息幀反饋到儀表節(jié)點(diǎn)上。所有節(jié)點(diǎn)的硬件CAN接口模塊都相同，包括燈光節(jié)點(diǎn)在內(nèi)。由于這種單片機(jī)帶有