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CAN(Controller Area Network)總線，即控制器局域網。由于具有高性能、高可靠性以及獨特的設計，CAN總線越來越受到人們的重視。德國的Bosch公司最初為汽車監控和控制系統設計了CAN總線，現在，其應用已面向過程工業、機械工業、紡織工業、農用機械、機器人、數控機床、醫療器械及傳感器等領域發展。CAN總線已經形成國際標準，并已經公認為是最有前途的現場總線之一。CAN總線規范已經被國際標準化組織制訂為國際標準ISO11898，并得到眾多半導體器件廠商的支持，推出各種集成有CAN協議的產品。CAN總線系統智能節點是網絡上報文的接收和發送站，一般由單片機和CAN控制器或二者合二為一組成。 MCP25l0是Microchip公司生產的一種獨立的可編程CAN控制器芯片。本文將介紹新型的獨立CAN通信控制器MCP2510，并給出其在CAN總線系統智能節點中的應用實例。 1 MCP2510芯片介紹 MCP25lO是一種帶有SPI接口的CAN控制器，DIP封裝如圖1所示。它支持CAN技術規范V2.OA／B，能夠發送或接收標準的和擴展的信息幀，同時具有接收濾波和信息管理的功能。MCP2510通過SI接口與MCU進行數據傳輸，最高數據傳輸速率可達5 Mbps，MCU可通過MCP2510與CAN總線上的其他MCU單元通信。MCP2510內含3個發送緩沖器和2個接收緩沖器，同時還具有靈活的中斷管理能力，這些特點使得MCU對CAN總線的操作變得非常簡便。 1.1 MCP2510的主要特點 ◇支持CANV2.0A／B； ◇具有SPI接口，支持SPI模式0，0和1，1； ◇內含3個發送緩沖器和2個接收緩沖器，可對其優先權進行編程； ◇具有6個接收過濾器，2個接收過濾器屏蔽； ◇具有靈活的中斷管理能力； ◇采用低功耗CMOS工藝技術，其工作電壓范圍為3.0～5.5 V，有效電流為5 mA，維持電流為10μA； ◇工作溫度范圍為-40～十125℃。 1.2 結構及工作原理 MCP2510有PDIP、SOIC和TSSOP三種封裝形式。圖2是MCP2510的內部結構框圖。CAN協議機負責與CAN總線的接口，SPI接口邏輯用于實現同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定和操作控制。現結合其工作過程將各部分的功能、原理作一介紹。 (1) 收發操作 MCP251O的發送操作通過3個發送緩沖器來實現。這3個發送緩沖器各占據14字節的SRAM。第1字節是控制寄存器TXBNCTRL，該寄存器用來設定信息發送的條件，且給出了信息的發送狀態；第2～6字節用來存放標準的和擴展的標識符以及仲裁信息；最后8字節則用來存放待發送的數據信息。在進行發送前，必須先對這些寄存器進行初始化。 (2) 中斷管理 MCP25lO有8個中斷源，包括發送中斷、接收中斷、錯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)可以方便地實現對各種中斷的有效管理。當有中斷發生時，INT引腳變為低電平并保持在低電平，直到MCU清除中斷為止。 (3) 錯誤檢測 CAN協議具有CRCF錯誤、應答錯誤、形式錯誤、位錯誤和填充錯誤等檢測功能。MCP2510內含接收出錯計數器(REC)和發送出錯計數器(TEC)兩個錯誤計數器。因而對網絡中的任何一個節點來說，都有可能因為錯誤汁數器的數值不同而使其處于錯誤一激活、錯誤一認可和總線-脫離3種狀態之一。 2 MCP2510在智能節點中的應用實例 利用MCP2510和CAN總線收發器TJA1050可構成一個CAN總線分布式測控網絡。系統可包括一個主控制器和多個節點控制器，這種節點控制器可對電動機的電流、電壓及周圍的溫度進行監控，其結構如圖3所示。 這種網絡拓撲結構采用了總線式結構和無源抽頭連接，且結構簡單、成本低，因而系統的可靠性較高。其信息傳輸采用CAN通信協議，通信介質采用雙絞線。由于CAN總線是基于發送報文的編碼，不對CAN控制節點進行編碼，故系統的可擴充性比較好，同時增刪CAN總線上的控制節點不會對系統的其余節點造成任何影響。 節點控制器的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。本系統采用的是不帶SPI接口的微處理器AT89C51。AT89C51可通過P1口與CAN控制器的SPI接口直接相連，并用軟件算法來實現SPI接口協議。CAN總線收發器TJA1050則作為MCP25l0與物理總線的接口。如果需要進一步提高系統的抗干擾能力，則可在MCP2510和TJAl050之間再加一個光電隔離器。 智能節點電路原理圖如圖4所示。 2.1 軟件設計 MCP2510正常工作之前，需要進行正確的初始化，包括設置SPI接口的數據傳輸速率、CAN通信的波特率、MCP2510的接收過濾器和屏蔽器以及發送和接收中斷允許標志位等。與SJA1000不同的是，單片機對MCP2510的接收緩沖器和發送緩沖器的操作，必須通過SPI接口用MCP2510內置讀寫命令來完成。其讀、寫命令時序圖如圖5和圖6所示。 本文中MCP2510主要采取中斷模式進行總線數據的接收和發送。整個系統主序提供兩種中斷：定時器中斷和外部中斷。定時器中斷的中斷子程序主要負責處理來自模擬通道AIN0～AIN7的A／D數據，向MCP2510發送“數據發送請求命令”以及發送數據。外部中斷的中斷處理子程序主要包括CAN總線錯誤處理子程序和數據接收子程序。 2.2 軟件主體設計流程 軟件主體設計流程如圖7所示。軟件設計時需要注意以下問題： ①因為MCP2510在初始化完成后處于默認Config-uration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，不能正常進行工作。將MCP2510置Normal模式可通過使用MCP2510內置的BitModify(位修改)4指令向CANCTRL控制字寫入一個0字節來實現。 ②在對MCP2510進行任何操作之前，都要由微處理器向MCP2510的片選CS輸出一個低電平，使得MCP2510選通。 ③在執行MCP2510的“讀”操作時，發送完讀指令及其地址碼之后，仍然需要向MCP2510提供時鐘，以接收“讀”到的數據。可以通過向MCP2510發送一個0字節來實現。 ④在對MCP2510完成任意操作后，都要延時一段時間，使其有足夠的時間來準備接收下次操作的命令，防止出現MCP2510“忙”的情況。 3 總 結 CAN總線已被公認為是最有前途的幾種現場總線之一。因其性價比高、實現簡單等突出優點深受越來越多的研發人員的青睞。本文的智能節點可聯結多個集散控制系統，其軟硬件電路的設計方法同樣適合于其他基于CAN總線的分布式控制系統的節點設汁。 |
