CAN智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

摘要：CAN總線是一種流行的實(shí)時(shí)性現(xiàn)場總線，文中提出了一種基于MSP430單片機(jī)，并以MCP2510為CAN控制器的智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案，該方案利用MSP430通過標(biāo)準(zhǔn)SPI接口可實(shí)現(xiàn)對MCP2510的控制，并能夠完全實(shí)現(xiàn)CAN總線規(guī)范。

１　引言

ＣＡＮ總線是控制器局域網(wǎng)（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔ-ｗｏｒｋ）總線的簡稱，它屬于現(xiàn)場總線范疇，是一種能有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，它可將掛接在現(xiàn)場總線上作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的智能設(shè)備連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并進(jìn)一步構(gòu)成自動化系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)基本的控制、補(bǔ)償、計(jì)算、參數(shù)修改、報(bào)警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化及控管一體化的綜合自動化功能。

ＣＡＮ總線智能節(jié)點(diǎn)在分布式控制系統(tǒng)中起著承上啟下的作用。它位于傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)所在的現(xiàn)場，一方面和上位機(jī)（ＰＣ或者工控機(jī)）進(jìn)行通信，以完成數(shù)據(jù)交換；另一方面又可根據(jù)系統(tǒng)的需要對現(xiàn)場的執(zhí)行機(jī)構(gòu)或者傳感器進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集。它常常將一些簡單的過程控制程序放在底層模塊中，從而減少了通信量，提高了系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性。因此，智能化模塊設(shè)計(jì)在ＣＡＮ系統(tǒng)中有著十分重要的作用。

本文將給出一種用ＭＳＰ４３０單片機(jī)和ＭＣＰ２５１０ ＣＡＮ控制器組成的總線智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案（見圖１），該方案中的單片機(jī)和ＣＡＮ控制器通過標(biāo)準(zhǔn)的ＳＰＩ接口進(jìn)行通信，因此，該節(jié)點(diǎn)能夠完成對被控器件的數(shù)據(jù)采集上報(bào)，并接受上位機(jī)的命令，進(jìn)而進(jìn)行解析以完成對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。為了調(diào)試簡單，本方案作了一些改動：一是使ＭＣＰ２５１０工作在環(huán)回模式，也就是數(shù)據(jù)由發(fā)送緩存直接發(fā)送到接收緩存，由于不經(jīng)過ＣＡＮ收發(fā)器和ＣＡＮ總線，而只是使用了它的一個(gè)發(fā)送緩存和一個(gè)接收緩存，因而方便了調(diào)試；二是把被控器件的數(shù)據(jù)采集和對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制部分略去，而這些功能在以后可以方便地添加，這樣，在實(shí)際使用時(shí)，只要對程序稍作修改就可應(yīng)用。

２　硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的整個(gè)接口模塊主要由兩部分組成：ＣＡＮ控制器ＭＣＰ２５１０和微控制器ＭＳＰ４３０。圖２所示是該智能節(jié)點(diǎn)的部分電路硬件原理圖。下面對主要部分功能作一介紹。

２．１ ＭＳＰ４３０Ｆ１２３２簡介

ＭＳＰ４３０系列微控制器是ＴＩ公司推出的功能強(qiáng)大的超低功耗１６位微處理器。它集成了豐富的片上外圍資源，因而開發(fā)方式十分簡便，可以用Ｃ語言編寫出效率很高的程序。所選ＭＳＰ４３０Ｆ１２３２的工作電壓為１．８～３．６Ｖ，內(nèi)含８ｋＢ ＦＬＡＳＨ存儲空間。片內(nèi)集成了看門狗定時(shí)器（ＷＴＤ）、基本時(shí)鐘模塊、ＵＳ-ＡＲＴ、１０位ＡＤＣ、和帶有３個(gè)捕獲／比較器的１６位定時(shí)器，因而片上資源十分豐富，完全可以滿足一般的需要，同時(shí)減少了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。與其它單片機(jī)相比，ＭＳＰ４３０的Ｉ／Ｏ端口功能更強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)雙向的輸入、輸出，并可完成一些特殊的功能，如Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換、捕獲比較等；另外，它還可以實(shí)現(xiàn)Ｉ／Ｏ的各種中斷。

本設(shè)計(jì)中，ＭＳＰ４３０的作用有兩個(gè)：一是對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制以及對輸入模擬量或者開關(guān)量的信號采集；二是利用ＵＡＲＴ模塊通過ＳＰＩ模式與ＭＣＰ２５１０通信并控制ＭＣＰ２５１０以實(shí)現(xiàn)ＣＡＮ規(guī)范。

    ２．２ ＭＣＰ２５１０簡介

ＭＣＰ２５１０?１?是Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司推出的功能很強(qiáng)的ＣＡＮ控制器芯片，它支持ＣＡＮ１．２、２．０Ａ及２．０Ｂ規(guī)范；其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖３所示。該芯片內(nèi)含３個(gè)發(fā)送緩存和２個(gè)接收緩存，可以對發(fā)送優(yōu)先級進(jìn)行管理，可濾除無用信息，ＭＣＰ２５１０有６個(gè)可編程濾波器，而且中斷資源十分豐富。最可貴的是，它可以通過標(biāo)準(zhǔn)的ＳＰＩ接口與微控制器進(jìn)行通信，從而放寬了ＭＣＵ的選擇范圍?使得所有單片機(jī)都有接入的可能。

ＭＣＰ２５１０的主要功能是在ＭＣＵ的控制下實(shí)現(xiàn)ＣＡＮ規(guī)范，它內(nèi)部的所有寄存器和控制寄存器都映射到一個(gè)地址表上，ＭＣＵ可以使用相應(yīng)的命令格式通過標(biāo)準(zhǔn)的ＳＰＩ接口來完成對ＭＣＰ２５１０的初始化、工作狀態(tài)的控制以及數(shù)據(jù)的讀寫。此外，ＭＣＰ２５１０產(chǎn)生的中斷還可以反饋給ＭＣＵ來處理。

２．３ 系統(tǒng)時(shí)鐘

    由于ＭＳＰ４３０的時(shí)鐘頻率決定著指令周期，因而該時(shí)鐘直接影響ＳＰＩ接口的速率。ＭＳＰ４３０Ｆ１２３２有兩個(gè)可選的時(shí)鐘：一是外部低速３２．７６８ｋＨｚ的時(shí)鐘晶體；二是采用內(nèi)部數(shù)控ＤＣＯ的可調(diào)頻率。本設(shè)計(jì)直接采用它內(nèi)部的數(shù)控ＤＣＯ作為它的主時(shí)鐘ＭＣＬＫ和ＳＭＣＬＫ，由于直接工作在８００ｋＨｚ，因而免去了使用晶體。ＭＣＰ２５１０采用標(biāo)準(zhǔn)的４ＭＨｚ晶體。ＭＳＰ４３０中ＵＳＡＲＴ模塊的ＣＬＫ可由系統(tǒng)時(shí)鐘分頻得到，速率設(shè)定也十分方便。實(shí)際上，ＭＣＰ２５１０輸出到總線的速率也可通過設(shè)置內(nèi)部寄存器的控制分頻系數(shù)來調(diào)節(jié)。

此外，由于ＭＣＰ２５１０的輸出信號驅(qū)動能力不夠，而且與ＣＡＮ總線物理接口的要求存在很大的差異，所以，在實(shí)際應(yīng)用中必須使用ＣＡＮ收發(fā)器（如ＭＣＰ２５５１等），它可支持的ＣＡＮ速率最高可達(dá)１Ｍｂｐｓ，而且容錯(cuò)能力很強(qiáng)。此外，它內(nèi)部還有很強(qiáng)的保護(hù)電路，可以防止總線的其它節(jié)點(diǎn)對它的影響。

３　軟件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行本系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)前，首先簡要說明一下ＭＣＰ２５１０的指令格式，ＭＣＰ２５１０的５條指令如表１所列。

表1 MCP2510指令格式

在使用時(shí)，可以把這些指令直接編寫成函數(shù)形式，這樣可使程序簡練易讀。同時(shí)，發(fā)送請求的硬件觸發(fā)只需把ＴＸｎＲＴＳ置低即可。實(shí)際上，接收緩存收到信息后也能產(chǎn)生硬件觸發(fā)，并在ＴＸｎＲＴＳ引腳產(chǎn)生低電平輸出。

本設(shè)計(jì)的主程序流程圖如圖４所示。

上電復(fù)位后，ＭＳＰ４３０首先完成自身外圍模塊的初始化，其任務(wù)主要是選擇時(shí)鐘模塊中的時(shí)鐘、使ＵＳＡＲＴ模塊工作于ＳＰＩ模式、以及對看門狗定時(shí)器的配置等；然后對ＭＣＰ２５１０進(jìn)行初始化，以對寄存器進(jìn)行設(shè)置。需要注意的是，ＭＣＰ２５１０只有在配置模式下才可以對控制參數(shù)進(jìn)行配置，但它在復(fù)位以后就是配置模式。

當(dāng)配置ＭＣＰ２５１０到環(huán)回模式后，ＭＳＰ４３０將寫數(shù)據(jù)到ＭＣＰ２５１０的發(fā)送緩存并控制其發(fā)送，此后，在接收緩存收到數(shù)據(jù)后，ＩＮＴ引腳將產(chǎn)生低電平中斷以通知ＭＳＰ４３０，ＭＳＰ４３０響應(yīng)中斷后將讀取數(shù)據(jù)，并和發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以驗(yàn)證程序的可行性。需要注意的是，無論是對ＭＣＰ２５１０的讀還是寫，都必須使它的ＣＳ引腳處于低電平。

在實(shí)際應(yīng)用中，ＭＳＰ４３０和ＭＣＰ２５１０都可以進(jìn)入睡眠模式，并可以由中斷來激活。整個(gè)節(jié)點(diǎn)的主要功能均由中斷子程序來完成，其中的一部分是ＭＳＰ４３０自身的中斷（看門狗定時(shí)器溢出中斷、ＳＰＩ接收發(fā)送中斷、ＡＤＣ中斷等），另一部分是ＭＣＰ２５１０引起的中斷，這部分中斷資源十分豐富，包括信息接收發(fā)送中斷、信息錯(cuò)誤中斷、總線激活中斷等。它產(chǎn)生的所有中斷都能使ＩＮＴ引腳為低電平， 單片機(jī)在檢測到這些中斷后，將通過ＳＰＩ接口讀?。停茫校玻担保皟?nèi)部的中斷標(biāo)志寄存器以判斷是何中斷，然后再進(jìn)行進(jìn)一步處理。

４　結(jié)束語

ＭＳＰ４３０和ＭＣＰ２５１０的很多實(shí)用功能本文還沒有進(jìn)一步開發(fā)，只是作了一個(gè)簡單測試系統(tǒng)，而且許多實(shí)際應(yīng)用中需要注意的問題也沒有考慮到，需要進(jìn)一步完善。此外，由于ＭＣＰ２５１０使用標(biāo)準(zhǔn)的ＳＰＩ接口與單片機(jī)通信，所以加上它可以不更換單片機(jī)，而只需對程序稍作修改即可，因此，采用該方案幾乎可以在任何現(xiàn)有系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)ＣＡＮ總線功能。