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1 概述 分布式在線測控系統(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)采集以及部分數(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)測診斷層主要負責監(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(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測控節(jié)點的集成度,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的分布式測控節(jié)點的設(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｡ C8051F040內(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)議控制器和負責消息收發(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(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､讀取CAN狀態(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(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)FDCSField 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25MHzCANTX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(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(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(jié)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(jié)束語 Cygnal公司的單片機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的特殊設(shè)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(shè)計將更為簡單｡ |
