C8051F040在基于CAN總線的分布式測控系統(tǒng)中的應用

摘要：CYGNAL生產的單片機C8051F040是代表8位單片機發(fā)展方向的高速(25M)混合信號系統(tǒng)級芯片(SOC)它不僅集成了一般測控系統(tǒng)需要的外設，而且集成了很有發(fā)展前景的現(xiàn)場總線—CAN總線控制器，文中對該芯片中的CAN控制器結構作了分析，并給出了在分布式測控系統(tǒng)中使用該芯片的智能節(jié)點的硬件、軟件設計方案。 關鍵詞：C8051F040;CAN總線;分布式;測控節(jié)點 1　概述 分布式在線測控系統(tǒng)是由多個面向設備的、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成的。該系統(tǒng)采取“分治”的設計思想它將數(shù)據(jù)采集以及部分數(shù)據(jù)處理任務交給設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)設計均應考慮各個節(jié)點之間的通信問題因為通信網(wǎng)絡的選取對系統(tǒng)性能有很大影響。 國內已開展了基于現(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計已經成為總線通信網(wǎng)絡的首選國內目前使用較廣的是PHILIPS 生產的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，很多微處理器生產廠家已經開始生產內部集成有CAN控制器的MCU。美國CYGNAL公司生產C8051F040就是內部集成有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總線結構、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)點的設計及系統(tǒng)的實現(xiàn)框架。 2 C8051F040及其內部BOTSH CAN Cygnal公司的單片機C8051F040具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內核。它的最高頻率可達25MHz內置64kB FLASH RAM和4kB的數(shù)據(jù)存儲器。C8051F040在一個芯片內集成了構成單片機數(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、內部振蕩器、看門狗電路以及CAN 控制器等，這種高度集成為設計小體積、低功耗、高可靠和高性能的測控系統(tǒng)提供了方便，同時也使測控設備整體成本能夠降低。 C8051F040內部集成有BOTSH CAN，它兼容CAN技術規(guī)范2.0A和2.0B，主要由CAN內核、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內部的CAN總線結構圖。

圖1中，CAN內核由CAN協(xié)議控制器和負責消息收發(fā)的串行/并行轉換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生。 3　基于C8051F040的智能系統(tǒng)設計 3.1 硬件設計 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結構，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)絡構成。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內核，所以，對于有使用51系列單片機經驗的人來說，這并沒有太大的難度，下面主要介紹C8051F040內置CAN的軟件設計。 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)時設定的工作頻率為25MHzCANTX引腳設為推挽方式，那么在初始化過程中，波特率應配置為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內核代表了8位單片機的發(fā)展方向。它不僅集成有構成監(jiān)控系統(tǒng)常用的外設，而且集成了逐漸成為控制領域首選的高可靠性、高性能C8051F040 CAN總線;本文使用該芯片設計的測控系統(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內有32個自帶掩碼消息目標的特殊設計，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)傳遞設計將更為簡單。