【導讀】隨著科技的發(fā)展，機器人越來越廣泛的應用于工業(yè)和生活。機命令和反饋信號的處理，實現(xiàn)對其進行有線遙控及運動軌跡的示教再現(xiàn)。本設計主要由硬件設計和軟件設計兩方面組成。器采用TI公司的MSP430系列超低功耗的混合信號控制器MSP430F449，軟件部分也主要包括主程序，總線通訊程序。和自動控制程序等。信功能，促進機器人和工業(yè)的全面接軌。

　　

【正文】 essive”)表示邏輯 “1”。當總線上同時出現(xiàn)“顯性 ”位和 “隱性 ”位時，最終呈現(xiàn)在總線上的是 “顯性 ”位。 CAN_H 和CAN_L 表示 CAN 總線 收發(fā)器 與總線的兩接口引腳，信號是以兩線之間的“差分 ”電壓 Vdiff形式出現(xiàn)。 在 “隱性 ”狀態(tài)下， VCAN_H 和 VCAN_L 被固定與平均電壓電平， Vdiff近似為零，此時 VCAN_H 和 VCAN_L 的標稱值為 。 “顯性 ”位以大于最小閥值的差分電壓表示，此時 VCAN_H 的標稱值為 ， VCAN_L 的標稱值為 ， 如圖 所示。在總線空閑狀態(tài)，發(fā)送隱性位。 圖 CAN 總線電平定義 CAN 總線上任意兩個節(jié)點之間的最大傳輸距離與其通訊波特率有關，如表 所示。 電壓 /V 隱性 (邏 輯 1) 隱性 (邏輯 1) 顯性 (邏輯 0) 時間 Vdiff=0 Vdiff=0 Vdiff=2V 工學學士論文 硬件設計與選型 表 CAN 總線最大傳輸距離與波特率關系 通訊波特率 (kbps) 1000 500 250 125 100 50 20 10 5 最大距離(m) 40 130 270 530 620 1300 3300 6700 10000 這里最大通訊距離是指在同一條總線上任意兩個節(jié)點之間的距離。 CAN 總線協(xié)議內(nèi)容 1)總線競爭的原則 BOSCH CAN 基本上沒有對物理層進行定義，但基于 CAN 的 ISO標準對物理層進行了定義。設計一個 CAN 系統(tǒng)時，物理層具有很大的選擇余地，但必須保證 CAN協(xié)議中媒體訪問層非破壞性位仲裁的要求，即出現(xiàn)總線競爭時，具有較高優(yōu)先權的報文獲取 總線競爭的原則，所以要求物理層必須支持 CAN 總線中隱性位和顯性位的狀態(tài)特征。在沒有發(fā)送顯性位時，總線處于隱性狀態(tài)，空閑時，總線處于隱性狀態(tài)；當有一個或多個節(jié)點發(fā)送顯性位，顯性位覆蓋隱性位，使總線處于顯性狀態(tài) [10]。 在此基礎上，物理層主要取決于傳輸速度的要求。從物理結(jié)構上看， CAN 節(jié)點的構成如圖 所示。在 CAN 中，物理層從結(jié)構上可分為三層：分別是物理層信令 (Physical Layer Signaling， PLS)、物理介質(zhì)附件 (Physical Media Attachment， PMA)層和介質(zhì)從 屬接口 (Media Dependent： Interface， MDI)層。其中 PLS 連同數(shù)據(jù)鏈路層功能由 CAN控制器完成， PMA 層功能由 CAN 收發(fā)器完成， MDI 層定義了電纜和連接器的特性。目前也有支持 CAN 的微處理器內(nèi)部集成了 CAN 控制器和收發(fā)器電路，如 MC68HC908GZl6。 PMA 和 MDI 兩層有很多不同 工學學士論文 硬件設計與選型 的國際或國家或行業(yè)標準，也可自行定義，比較流行的是 ISOll898 定義的高速 CAN 發(fā)送 /接收器標準。 2)節(jié)點數(shù)量 理論上， CAN 總線上的節(jié)點數(shù)幾乎不受限制，可達到 20xx 個，實際上受電氣特性的 限制，最多只能接 100 多個節(jié)點。 3)CAN 的數(shù)據(jù)鏈路層 CAN 的數(shù)據(jù)鏈路層是其核心內(nèi)容，其中邏輯鏈路控制 (Logical Link control， LLC)完成過濾、過載通知和管理恢復等功能，媒體訪問控制(Medium Access control， MAC)子層完成數(shù)據(jù)打包 /解包、幀編碼、媒體訪問管理、錯誤檢測、錯誤信令、應答、串并轉(zhuǎn)換等功能。這些功能都是圍繞信息幀傳送過程展開的。 通訊接口 所選元器件介紹 SJA1000 SJA1000(圖 )是 Philips 公司生 產(chǎn)的獨立 CAN 總線控制器 ， 它是早期的 PCA82C200 的替代產(chǎn)品。它與 PCA82C200 在管腳、電氣特性上完全兼容 ， 不僅有 和 PCA82C200 一樣的基本 CAN (Basic CAN)工作模式 ， 而且新增加了增強 CAN ( Peli CAN)工作模式 ， 這種模式支持具有很多新特性的 CAN2. 0B 協(xié)議。 SJA1000 內(nèi)部 RAM 由寄存器組和報文緩沖區(qū)組成。發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)共用同一段 CAN 地址 16H～ 18H，共 3 個單元，能存儲一條將在 CAN 總線上發(fā)送或接收的完整的報文。具有 64 字節(jié)擴展接收緩沖器 RXFIFO，其 CAN 地址為 32H～ 95H(地址為 96H～ 109H 的區(qū)域是存放發(fā)送信息的備份 )，有了 64 字節(jié)的 REFIFO， CPU 可以在處理一個報文的同時繼續(xù)接收其他到來的報文；具有接收濾波器，它把報文頭中的標識符 (ID)和驗收碼寄存器中的內(nèi)容進行比較，以判斷該報文是否被接收。如果被接收，報文存入 RXFIFO。 工學學士論文 硬件設計與選型 SJA1000 的主要特性如下 ： 1)管腳及電氣特性與獨立 CAN 總線控制器 PCA82C200 兼容 ； 2)軟件與 PCA82C200 兼容 (缺省為基本 CAN 模式 )； 3)擴展接收緩沖器 (64 字節(jié) FIFO)； 4)支持 時支持 11 和 29 位標識符； 5)位通訊速率為 1Mbits/s； 6)增強 CAN 模式 (PeliCAN)； 7)采用 12MHz 時鐘頻率； 8)支持多種微處理器接口； 9)可編程 CAN 輸出驅(qū)動配置； 10)工作溫度范圍為 40~+125℃ 。 AD61AD72A L E / A S3/ C S4/ R D / E5/ W R6C L K O U T7V S S 18X T A L 19X T A L 210M O D E11VDD312T X 013T X 114AD528AD427AD326AD225AD124AD023VDD122V S S 221R X 120R X 019VDD218/ R S T17/ I N T16V S S 315 圖 SJA1000 引腳圖 6N137 光耦合器 工學學士論文 硬件設計與選型 6N137 光耦合器 (圖 )是一款用于單通道的高速光耦合器，其內(nèi)部有一個 850 nm波長 AlGaAs LED 和一個集成檢測器組成，其檢測器由一個光敏二極管、高增益線性運放及一個肖特 基鉗位的集電極開路的三極管組成。具有溫度、電流和電壓補償功能，高的輸入輸出隔離， LSTTL/TTL 兼容，高速 (典型為 10MBd)， 5mA 的極小輸入電流。 1 N .C .2 A n od e3 C a t ho de4 N .C .V C C 8E na b l e 7O ut p ut 6G N D 5 圖 6N137 的引腳和內(nèi)部結(jié)構圖 特性 ： ① 轉(zhuǎn)換速率高達 10MBit/s； ② 擺率高達 10kV/us； ③ 扇出系數(shù)為 8； ④ 邏輯電平輸出 ； ⑤ 集電極開路輸出 ； 82C250 82C250(圖 )是 CAN 控制器與物理總線間的接口，可以提供對總線的差動發(fā)送和接收能力，與 IS011898 標準完全兼容，并具有抗汽車環(huán)境下的瞬間干擾、 保護總線的能力。為了提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，在CAN 控制器和 CAN 收發(fā)器之間采用光耦 6N137 進行隔離。 工學學士論文 硬件設計與選型 T X D1GND2V C C3R X D4 T R E F 5C A N L 6C A N H 7RS 8 圖 82C250 引腳圖 PCA82C250 提供對物理總線的符合 CAN 電氣協(xié)議的差動發(fā)送和接收功能，另外，它具有的電流限制電路，還提供了對總線的進一步的保護功能。通過 82C250 與物理總線進行連接，可使總線支持多達 110 個節(jié)點的掛接。上圖給出 PCA82C250 的功能方框圖。對于 CAN 控制器及帶有 CAN 總線接口的器件， 82C250 并不是必須使用的器件，因為多數(shù) CAN 控制器均具有配置靈活的收發(fā) 接口并允許總線故障，只是驅(qū)動能力一般只允許 20～30個節(jié)點連接在一條總線上。而 82C250支持多達 110個節(jié)點，并能以 1Mbps的速率工作于惡劣電氣環(huán)境。 總線控制 工作原理 SJA1000 在電路中是一個總線接口芯片，通過它實現(xiàn) 從操作器、規(guī)劃器與控制器 之間的數(shù)據(jù)通信。該電路的主要功能是通過 CAN 總線接收來自上位機的數(shù)據(jù)進行分析組態(tài)然后下傳給下位機的控制電路實現(xiàn)控制功能，當 CAN 總線接口接收到 傳輸 數(shù)據(jù)， SJA1000 就產(chǎn)生一個中斷，引發(fā)微處理器產(chǎn)生中斷，通過中斷處理程序接收每一幀信息并通過 CAN 總 線上傳給上位機進行分析。 SJA1000 內(nèi)部 RAM 由寄存器組和報文緩沖區(qū)組成。發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)共用同一段 CAN 地址 16H～ 18H，共 3 個單元，能存儲一條將在 CAN總線上發(fā)送或接收的完整的報文。具有 64 字節(jié)擴展接收緩沖器 RXFIFO，其 CAN 地址為 32H～ 95H(地址為 96H～ 109H 的區(qū)域是存放發(fā)送信息的備份 )，有了 64 字節(jié)的 REFIFO， CPU 可以在處理一個報文的同時繼續(xù)接收其工學學士論文 硬件設計與選型 他到來的報文；具有接收濾波器，它把報文頭中的標識符 (ID)和驗收碼寄存器中的內(nèi)容進行比較，以判斷該報文是否被接收。如果被接收 ，報文存入RXFIFO。 格式信息內(nèi)容如下： FF RTR X X FF=1，本幀為標準幀； FF=0，本幀為擴展幀。 RTR=1，為遠程幀 。RTR=0，為數(shù)據(jù)幀。 ～ 表示數(shù)據(jù)字節(jié)的長度，最大值為 8。驗收濾波原理：初始化時將標識符 ID 寫入驗收碼寄存器 ACR中，驗收屏蔽寄存器 AMR為 0 的位， ACR 和 CAN 信息幀的對應位必須相等才算驗收通過， AMR 為1 的位， CAN 信息幀的對應位不驗收。驗收時對于標準幀 ： 11 位標識符和RTR 對應 ACR0 的 8 位和 ACR1 的高 4 位。對于擴展幀： 29 位標識符和RTR 對應 4 個 ACR，只是 ACR3 和 AMR3 的低 2 位未用。 SJA1000型獨立 CAN總線控制器由以下幾部分構成； 1)接口管理邏輯：它接收來自微處理器的命令，控制 CAN寄存器的地址，并為微處理器提供中斷和狀態(tài)信息。 2)發(fā)送緩沖器：有 13字節(jié)長。它位于 CPU和位流處理器 (BSP)之間，能存儲一條將在 CAN總線上發(fā)送的完整的報文，報文由 CPU寫入，由 SBP讀出。 3)接收緩沖器 (RXB、 RXFIFO)：它是 CPU和接收濾波器之間的接口，用來存儲從 CAN總線接收并通 過了濾波的報文。接收緩沖器 RXB是提供給CPU可訪問的 13字節(jié)的窗口，這個窗口是屬于接收 FIFO(RXFIFO)的一部分，共由 64字節(jié)長。有了這個 FIFO，可以在 CPU處理一個報文的同時繼續(xù)接收其他到來的報文。 4)接收濾波器：它把報文頭中的標識符和接收濾波寄存器中的內(nèi)容進行比較，以判斷文報文是否被接收。如果被接收，報文存入 RXFIFO。 5)位流處理器：它是一個控制發(fā)送緩沖器、 RXFIFO并行數(shù)據(jù)和 CAN總工學學士論文 硬件設計與選型 線 (串行數(shù)據(jù) )之間數(shù)據(jù)的序列發(fā)生器，同時它也執(zhí)行錯誤檢測、仲裁、位填充和 CAN總線錯誤處理功能。 6)位定時邏輯：它將 SJA1000同步于 CAN總線上的位流。 7)錯誤管理邏輯：它按照 CAN協(xié)議完成錯誤界定。 控制器 SJA1000 作為本接口電路中的控制部分，應用本設計中，對于SJA1000 和單片機的連接，引腳 AD0~AD7 是和 MSP430 的輸出輸入腳～ ； SJA1000的片選信號腳 /CS必須由微控制器的 ，否則這個片選輸入必須接到 VSS， 也可以通過地址解碼控制 ， /INT 和單片機的 /INT0 連接。 由于在該系統(tǒng)中要用到相同的時鐘頻率，所以我們要時鐘信號引腳 CLKOUT 和 單片機的 XTAL1 腳相連，達到頻率一致的目的；而在復位信號的處理，可以在看門狗外圍電路的 RST 信號輸出后再通過和非門電路的相連，很好的實現(xiàn)了電路的復位作用。而對于控制器的收發(fā)引腳TX0， TX1 與 RX0， RX1，