CAN智能節(jié)點的設計
摘要：CAN總線是一種流行的實時性現(xiàn)場總線，文中提出了一種基于MSP430單片機，并以MCP2510為CAN控制器的智能節(jié)點設計方案，該方案利用MSP430通過標準SPI接口可實現(xiàn)對MCP2510的控制，并能夠完全實現(xiàn)CAN總線規(guī)范。關鍵詞：CAN智能節(jié)點；MSP430；MCP2510；數(shù)據(jù)通信
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控制的串行通信網(wǎng)絡，它可將掛接在現(xiàn)場總線上作為網(wǎng)絡節(jié)點的智能設備連接成網(wǎng)絡系統(tǒng)，(范文先生網(wǎng)325224.com收集整理)并進一步構(gòu)成自動化系統(tǒng)，從而實現(xiàn)基本的控制、補償、計算、參數(shù)修改、報警、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)行機構(gòu)所在的現(xiàn)場，一方面和上位機（ＰＣ或者工控機）進行通信，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)行機構(gòu)或者傳感器進行控制和數(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)控制的實時性。因此，智能化模塊設計在ＣＡＮ系統(tǒng)中有著十分重要的作用。
本文將給出一種用ＭＳＰ４３０單片機和ＭＣＰ２５１０ ＣＡＮ控制器組成的總線智能節(jié)點的設計方案（見圖１），該方案中的單片機和ＣＡＮ控制器通過標準的ＳＰＩ接口進行通信，因此，該節(jié)點能夠完成對被控器件的數(shù)據(jù)采集上報，并接受上位機的命令，進而進行解析以完成對執(zhí)行機構(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發(fā)送緩存和一個接收緩存，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，在實際使用時，只要對程序稍作修改就可應用。
２ 硬件設計
本設計的整個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)集成了看門狗定時器（ＷＴＤ）、基本時鐘模塊、ＵＳ-ＡＲＴ、１０位ＡＤＣ、和帶有３個捕獲／比較器的１６位定時器，因而片上資源十分豐富，完全可以滿足一般的需要，同時減少了設計的復雜度。與其它單片機相比，ＭＳＰ４３０的Ｉ／Ｏ端口功能更強，可實現(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，它還可以實現(xiàn)Ｉ／Ｏ的各種中斷。
本設計中，ＭＳＰ４３０的作用有兩個：一是對執(zhí)行機構(gòu)的控制以及對輸入模擬量或者開關量的信號采集；二是利用ＵＡＲＴ模塊通過ＳＰＩ模式與ＭＣＰ２５１０通信并控制ＭＣＰ２５１０以實現(xiàn)ＣＡＮ規(guī)范。
２．２ ＭＣＰ２５１０簡介
ＭＣＰ２５１０?１?是Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司推出的功能很強的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個發(fā)送緩存和２個接收緩存，可以對發(fā)送優(yōu)先級進行管理，可濾除無用信息，ＭＣＰ２５１０有６個可編程濾波器，而且中斷資源十分豐富。最可貴的是，它可以通過標準的ＳＰＩ接口與微控制器進行通信，從而放寬了ＭＣＵ的選擇范圍?使得所有單片機都有接入的可能。
ＭＣＰ２５１０的主要功能是在ＭＣＵ的控制下實現(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地址表上，ＭＣＵ可以使用相應的命令格式通過標準的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)時鐘
由于ＭＳＰ４３０的時鐘頻率決定著指令周期，因而該時鐘直接影響ＳＰＩ接口的速率。ＭＳＰ４３０Ｆ１２３２有兩個可選的時鐘：一是外部低速３２．７６８ｋＨｚ的時鐘晶體；二是采用內(nèi)部數(shù)控ＤＣＯ的可調(diào)頻率。本設計直接采用它內(nèi)部的數(shù)控ＤＣＯ作為它的主時鐘ＭＣＬＫ和ＳＭＣＬＫ，由于直接工作在８００ｋＨｚ，因而免去了使用晶體。ＭＣＰ２５１０采用標準的４ＭＨｚ晶體。ＭＳＰ４３０中ＵＳＡＲＴ模塊的ＣＬＫ可由系統(tǒng)時鐘分頻得到，速率設定也十分方便。實際上，ＭＣＰ２５１０輸出到總線的速率也可通過設置內(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，在實際應用中必須使用ＣＡＮ收發(fā)器（如ＭＣＰ２５５１等），它可支持的ＣＡＮ速率最高可達１Ｍｂｐｓ，而且容錯能力很強。此外，它內(nèi)部還有很強的保護電路，可以防止總線的其它節(jié)點對它的影響。
３ 軟件設計
在進行本系統(tǒng)節(jié)點的軟件設計前，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
說 明
復位 1100 0000 使內(nèi)部寄存器復位,進入配置模式 讀取 0000 0011 從寄存器讀取數(shù)據(jù),指令在前,地址隨后 寫入 0000 0010 寫數(shù)據(jù)到寄存器,指令在前,地址和數(shù)據(jù)隨后 發(fā)送請求 1000 0nnn 對發(fā)送緩存發(fā)送信息進行初始化 狀態(tài)讀取 1010 0000 讀取常用狀態(tài)寄存器的某些位數(shù)據(jù) 位修改 0000 0101 對豁口的某幾件位修改在使用時，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，發(fā)送請求的硬件觸發(fā)只需把ＴＸｎＲＴＳ置低即可。實際上，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。
本設計的主程序流程圖如圖４所示。
上電復位后，ＭＳＰ４３０首先完成自身外圍模塊的初始化，其任務主要是選擇時鐘模塊中的時鐘、使ＵＳＡＲＴ模塊工作于ＳＰＩ模式、以及對看門狗定時器的配置等；然后對ＭＣＰ２５１０進行初始化，以對寄存器進行設置。需要注意的是，ＭＣＰ２５１０只有在配置模式下才可以對控制參數(shù)進行配置，但它在復位以后就是配置模式。
當配置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響應中斷后將讀取數(shù)據(jù)，并和發(fā)送的數(shù)據(jù)進行比較，以驗證程序的可行性。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。
在實際應用中，ＭＳＰ４３０和ＭＣＰ２５１０都可以進入睡眠模式，并可以由中斷來激活。整個節(jié)點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)部的中斷標志寄存器以判斷是何中斷，然后再進行進一步處理。
４ 結(jié)束語
ＭＳＰ４３０和ＭＣＰ２５１０的很多實用功能本文還沒有進一步開發(fā)，只是作了一個簡單測試系統(tǒng)，而且許多實際應用中需要注意的問題也沒有考慮到，需要進一步完善。此外，由于ＭＣＰ２５１０使用標準的ＳＰＩ接口與單片機通信，所以加上它可以不更換單片機，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)上實現(xiàn)ＣＡＮ總線功能。
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