基於CAN總線分佈式控制系統智能節點的設計

前言
   
現場總線是當今自動化領域技術發展的熱點之一，被譽爲自動化領域的計算機局域網。它的出現爲分佈式控制系統實現各節點之間實時、可靠的數據通信提供了強有力的技術支援。CAN(Controller Area Network)屬於現場總線的範疇，它是一種有效支援分佈式控制或實時控制的串行通信網絡。較之目前許多RS-485基於R線構建的分佈式控制系統而言，基於CAN總線的分佈式控制系統在以下方面具有明顯的優越性：
首先，CAN控制器工作於多主方式，網絡中的各節點都可根據總線訪問優先權(取決於報文標識符)採用無損結構的逐位仲裁的方式競爭向總線發送數據，且CAN協議廢除了站地址編碼，而代之以對通信數據進行編碼，這可使不同的節點同時接收到相同的數據，這些特點使得CAN總線構成的網絡各節點之間的數據通信實時性強，並且容易構成冗餘結構，提高系統的可靠性和系統的靈活性。而利用RS-485只能構成主從式結構系統，通信方式也只能以主站輪詢的方式進行，系統的實時性、可靠性較差；
其次，CAN總線透過CAN控制器接口芯片82C250的兩個輸出端CANH和CANL與物理總線相連，而CANH端的狀態只能是高電平或懸浮狀態，CANL端只能是低電平或懸浮狀態。這就保證不會出現象在RS-485網絡中，當系統有錯誤，出現多節點同時向總線發送數據時，導致總線呈現短路，從而損壞某些節點的'現象。而且CAN節點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能，以使總線上其他節點的操作不受影響，從而保證不會出現象在網絡中，因個別節點出現問題，使得總線處於“死鎖”狀態。
而且，CAN具有的完善的通信協議可由CAN控制器芯片及其接口芯片來實現，從而大大降低系統開發難度，縮短了開發週期，這些是隻僅僅有電氣協議的RS-485所無法比擬的。另外，與其它現場總線比較而言，CAN總線是具有通信速率高、容易實現、且性價比高等諸多特點的一種已形成國際標準的現場總線。這些也是目前 CAN總線應用於衆多領域，具有強勁的市場競爭力的重要原因。
    硬件電路設計
   
CAN遵循ISO的標準模型，分爲數據鏈路層和物理層。在工程上，這兩層通常由CAN控制器和收發器實現的。當前，市面上有兩種CAN總線器件可供選擇：一種是帶有片上CAN的微控制器，如P8XC591/2、87C196CA/CB、MC68376、PowerPC555等，使用這種集成器件方便用戶製作印製板，電路圖也更緊湊；另外一種是獨立的CAN控制器，如Philips SJA1000、Intel公司82526以及MCP2510(具有SPI接口，方便MCU連接)等， 使用獨立的CAN控制器的潛在優勢是，系統開發人員可以根據所需從衆多種類的單片機中選擇最理想的系統設計方案。    
作者設計的智能節點硬件電路圖略(詳見《電子產品世界》2002.10)。
節點微控制器選用單片機80C196KC，CAN接口由獨立控制器SJA1000和CAN控制器接口芯片82C250組成。SJA1000在軟件上和引腳上都是與它的前款PCA82C200獨立控制器相容的，並增加了許多新功能：標準幀數據結構和擴展幀數據結構，並且這兩種幀格作爲式都具有單/雙接收過濾器；64字節的接收FIFO；可讀寫訪問的錯誤計數器和錯誤限制報警以及只聽方式等等。
SJA1000有兩種工作模式：Basic CAN模式和PeliCAN模式，其中PeliCAN模式全面支援CAN2.0B協議。SJA1000作爲微控制器的片外擴展芯片，其片選引腳CS接在微控制器的地址譯碼器上，從而決定了CAN控制器各寄存器的地址。SJA1000透過CAN控制器接口芯片82C250連接在物理總線上。82C250器件提供對總線的差動發送能力和對CAN控制器的差動接受能力，完全和“ISO11898”標準相容。其引腳8允許選擇三種不同的工作方式：高速、斜率控制和待機。在低速和總線長度較短時，一般採用斜率控制方式，限制上升和下降斜率，降低射頻干擾，斜率可透過由引腳8至地連接的電阻進行控制。斜率正比於引腳8上的電流輸出。爲進一步提高系統抗干擾能力，在CAN控制器SJA1000和CAN控制器接口82C250之間加接6N137光電隔離芯片，並採用DC-DC變換器隔離電源。通信信號傳輸到導線的端點時會發生反射，反射信號會干擾正常信號的傳輸，因而總線兩端接有終端電阻R1、R2，以消除反射信號，其阻值約等於傳輸電纜的特性阻抗。
    軟件設計
   
CAN總線節點要有效、實時地完成通信任務，軟件的設計是關鍵，也是難點。它主要包括節點初始化程序、報文發送程序、報文接收程序 以及CAN總線出錯處理程序等等。CAN控制器芯片SJA1000的內部寄存器是以作爲微控制器的片外寄存器存在並作用的。微控制器和SJA1000之 間狀態、控制和命令的交換都是透過在復位模式或工作模式下對這些寄存器的讀寫來完成的。在初始化CAN內部寄存器時注意使得各節點的位 速率必須一致，而且接、發雙方必須同步。報文的接收主要有兩種方式：中斷和查詢接收方式。爲提高通信的實時性，文中採用中斷接收方式，而且這樣也可保證接收快取器不會出現數據溢出現象。SJA1000的Basic CAN工作模式是與其前一款PCA82C200獨立控制器相相容的模式， 而PeliCAN工作模式支援CAN協議中的更多功能，它的程序設計也與之有所不同。下面給出SJA1000工作在模PeliCAN式下的節點初始化、報文發送、報文接收的196彙編源程序。
INITIALIZE：    初始化子程序 LDB AL, #09H；  初始化模式寄存器進入復位模式 STB AL, MODE；  選擇單濾波方式 LDB AL, #88H；  時鐘分頻器  STB AL, CDR；   選Peli CAN模式 LDB AL, #00H STB AL, ACR0；  初始化接收代碼寄存器 LDB AL, #60H STB AL, ACR1 LDB AL, #00H STB AL, AMR0；  初始化接屏蔽寄存器 LDB AL, #3FH；  只接收標識符爲2，3的報文 STB AL, AMR1 LDB AL, #8FH STB AL, IER；   中斷使能寄存器 LDB AL, #01H；  總線定時寄存器0、1的設定 STB AL, BTR0； LDB AL, #1CH；  在16MHz晶振情況下 STB AL, BTR1；  波特率設定爲250 LDB AL, #0AAH STB AL, OCR；   輸出控制器寄存器設定 LDB AL, #0H；   接收快取器起始地址設爲0 STB AL, RBSA； LDB AL, #01H； ORB AL, MODE； STB AL, MODE；   返回工作模式 RET TRANSMIT：；            發送子程序 LDB AL, SR SRCVE: JBS AL,4, SRCVE；正接收？ STRSV: JBC AL,3, STRSV；發送成功？ STBF: JBC AL, 2, STBF； 發送快取器鎖定否 WID: LDB AL, #08H LD BX, #TXB；           發送快取的首址 STB AL,[BX]+；          傳送兩個字節的標識符 LDB AL,#ID0 STB AL,[BX]+ LDB AL,#ID1 STB AL,[BX]+ LDB COUT,#08H；         8個字節數據 TDATA: LDB AL,[DATA]+   CPU內的發送數據快取區首址 STB AL,[BX]+； DJNZ COUT,TDATA；       8個字節發完否？ LDB AL,#01H； STB AL,CMR；            發送 RET 
RECEIVE：     ； 接收中斷程序 PUSHF；          保護現場 LDB AL,IR JBC AL,0,OTHER； 接收中斷否？ LD BX,#RXB；     接收快取器首址 LDB AL,[BX]+ JBC AL,6,RCDATA；標識符的RTR=1？ LDB AL,#04H；    是遠程幀,釋放接收快取區 STB AL,CMR；  LCALL TRANSMIT； 相應遠程幀,發送相應數據 SJMP BACK RCDATA： ANDB AL,#0FH；   取低四位數據長度 ADDB AL,#03H； STB AL,R1；      該報文含有的字節數 LD BX,#RXB；     接收快取器的首地址 LD CX,#CRBF；    CPU內的接收數據快取區首址 RECE： LDB AL,[BX]+ STB AL,[CX]+ INCB R1 DJNZ R1,RECE；   接收完否？ LDB AL,#04H STB AL,CMR；     釋放接收快取區 BACK； POPF RET
結語
    CAN總線已被公認爲是最有前途的幾種現場總線之一。因其高性能價格比、實現簡單等突出優點深得越來越多的研發人員的青睞。文中的智能節點來源於一電源組集散控制系統，其硬、軟件電路的設計方法同樣適合於其他基於CAN總線的分佈式控制系統的節點設計。