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C8051F040在基于CAN總線的分布式測控系統(tǒng)中的應(yīng)用
摘要：CYGNAL生產(chǎn)的單片機(jī)C8051F040是代表８位單片機(jī)發(fā)展方向的高速（25M）混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片（SOC）它不僅集成了一般測控系統(tǒng)需要的外設(shè)，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(jié)構(gòu)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(diǎn)的硬件、軟件設(shè)計(jì)方案。關(guān)鍵詞：C8051F040；CAN總線；分布式；測控節(jié)點(diǎn)
１ 概述
分布式在線測控系統(tǒng)是由多個(gè)面向設(shè)備的、以ＭＣＵ為核心的智能處理單元和多個(gè)并行運(yùn)行且具有不同監(jiān)測和故障診斷功能的微機(jī)構(gòu)成的。該系統(tǒng)采取“分治”的設(shè)計(jì)思想?它將數(shù)據(jù)采集以及部分?jǐn)?shù)據(jù)處理任務(wù)交給設(shè)備層的智能處理單元去完成?而監(jiān)測診斷層主要負(fù)責(zé)監(jiān)視和故障診斷。分布式測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)均應(yīng)考慮各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信問題?因?yàn)橥ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)的選取對系統(tǒng)性能有很大影響。 國內(nèi)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(shí)現(xiàn)設(shè)備層的檢測處理、單元間的通信以及與上層監(jiān)測主機(jī)的通信。ＣＡＮ總線就是一種支持分布式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的串行通信局域網(wǎng)絡(luò)總線。它的主要特點(diǎn)如下:
●任一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可在任一時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù),而從不分主從,因此，通信比較靈活;
●節(jié)點(diǎn)可分為不同的優(yōu)先級(jí),可以滿足不同的實(shí)時(shí)要求;
●采用非破壞性總線仲裁,當(dāng)兩節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí),優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送?而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)；
●通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)１０ｋｍ，通信最高速率可達(dá)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(shí)間，而且實(shí)時(shí)性強(qiáng)，受干擾的概率低；
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●每幀數(shù)據(jù)都含有ＣＲＣ（循環(huán)冗余）校驗(yàn)及其它校驗(yàn)措施，因而數(shù)據(jù)出錯(cuò)率很低；
●ＣＡＮ總線節(jié)點(diǎn)在嚴(yán)重錯(cuò)誤的情況下，可自動(dòng)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(shí)時(shí)性好以及獨(dú)特的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為總線通信網(wǎng)絡(luò)的首選?國內(nèi)目前使用較廣的是ＰＨＩＬＩＰＳ 生產(chǎn)的ＳＪＡ１０００ 、８２Ｃ２００等獨(dú)立的ＣＡＮ控制器，由于這種獨(dú)立的控制器限制了測控節(jié)點(diǎn)的集成度，因此，很多微處理器生產(chǎn)廠家已經(jīng)開始生產(chǎn)內(nèi)部集成有ＣＡＮ控制器的ＭＣＵ。美國ＣＹＧＮＡＬ公司生產(chǎn)Ｃ８０５１Ｆ０４０就是內(nèi)部集成有ＢＯＳＣＨ ＣＡＮ控制器的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片（ＳＯＣ）。本文將分析Ｃ８０５１Ｆ０４０ 的ＣＡＮ總線結(jié)構(gòu)、與ＣＰＵ 的接口及初始化配置，同時(shí)將給出基于Ｃ８０５１Ｆ０４０的分布式測控節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)及系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)框架。
２ Ｃ８０５１Ｆ０４０及其內(nèi)部ＢＯＴＳＨ ＣＡＮ
Ｃｙｇｎａｌ公司的單片機(jī)Ｃ８０５１Ｆ０４０具有與８０５１指令集完全兼容的ＣＩＰ－５１內(nèi)核。它的最高頻率可達(dá)２５ＭＨｚ?內(nèi)置６４ｋＢ ＦＬＡＳＨ ＲＡＭ和４ｋＢ的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。Ｃ８０５１Ｆ０４０在一個(gè)芯片內(nèi)集成了構(gòu)成單片機(jī)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(shè)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(shí)器、內(nèi)部振蕩器、看門狗電路以及ＣＡＮ 控制器等，這種高度集成為設(shè)計(jì)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(shí)也使測控設(shè)備整體成本能夠降低。
Ｃ８０５１Ｆ０４０內(nèi)部集成有ＢＯＴＳＨ ＣＡＮ，它兼容ＣＡＮ技術(shù)規(guī)范２．０Ａ和２．０Ｂ，主要由ＣＡＮ內(nèi)核、消息ＲＡＭ（獨(dú)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(nèi)部的ＣＡＮ總線結(jié)構(gòu)圖。
圖１中，ＣＡＮ內(nèi)核由ＣＡＮ協(xié)議控制器和負(fù)責(zé)消息收發(fā)的串行／并行轉(zhuǎn)換ＲＸ／ＴＸ移位寄存器組成。消息ＲＡＭ用于存儲(chǔ)消息目標(biāo)和每個(gè)目標(biāo)的仲裁掩碼。這種ＣＡＮ處理器有３２個(gè)隨意配置為發(fā)送和接受的消息目標(biāo)?并且每一個(gè)消息目標(biāo)都有它自己的識(shí)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(nèi)部寄存器中存儲(chǔ)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(shè)置波特率的位定時(shí)寄存器 、測試寄存器、錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器和消息接口寄存器。通常ＣＡＮ內(nèi)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(nèi)部寄存器的所有單元，其配置ＣＡＮ、消息目標(biāo)、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(gè)特殊寄存器來完成，其中ＣＡＮ０ＣＮ、ＣＡＮ０ＴＳＴ和ＣＡＮ０ＳＴＡ ３個(gè)寄存器可直接獲取或修改ＣＡＮ 控制器中對應(yīng)的寄存器，而ＣＡＮ０ＤＡＴＨ、ＣＡＮ０ＤＡＴＬ、ＣＡＮ０ＡＤＲ
３個(gè)寄存器主要用來訪問修改其它不能直接訪問的ＣＡＮ 內(nèi)部寄存器，其中ＣＡＮ０ＡＤＲ用來指出要訪問寄存器的地址，ＣＡＮ０ＤＡＴＨ、ＣＡＮ０ＤＡＴＬ這時(shí)就相當(dāng)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(dāng)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(gè)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(nèi)核中移位寄存器和消息ＲＡＭ 之間的數(shù)據(jù)傳遞，同時(shí)，它還可用來管理中斷的產(chǎn)生。
３ 基于Ｃ８０５１Ｆ０４０的智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)
３．１ 硬件設(shè)計(jì)
工業(yè)測控現(xiàn)場通常存在著大量的傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電子控制單元，它們一般分布較廣，而且對實(shí)時(shí)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)ＦＤＣＳ?Ｆｉｅｌｄ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ?結(jié)構(gòu)，它由主控站（注：ＣＡＮ總線各節(jié)點(diǎn)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(diǎn)并配以ＣＡＮ現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。主控站主要完成對各節(jié)點(diǎn)的在線監(jiān)控以及對各節(jié)點(diǎn)返回信息的分析處理，并對節(jié)點(diǎn)發(fā)出控制命令以控制節(jié)點(diǎn)工作模式。智能節(jié)點(diǎn)則根據(jù)主控站命令來完成數(shù)據(jù)采集、運(yùn)行顯示以及對執(zhí)行部件的控制，以及各節(jié)點(diǎn)與主站、節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換和信息控制。
圖４是一個(gè)以Ｃ８０５１Ｆ０４０為核心的智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)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(shí)對總線無影響等特點(diǎn)，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(diǎn)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(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)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(gè)５Ｖ隔離輸出的開關(guān)電源模塊。這樣能大大提高節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和可靠性，但可能會(huì)增加節(jié)點(diǎn)的硬件復(fù)雜性。
３．２ 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
對于一個(gè)實(shí)際的測控系統(tǒng)，其節(jié)點(diǎn)軟件是比較復(fù)雜的，但由于Ｃ８０５１Ｆ０４０具有與８０５１指令完全兼容的ＣＩＰ－５１內(nèi)核，所以，對于有使用５１系列單片機(jī)經(jīng)驗(yàn)的人來說，這并沒有太大的難度，下面主要介紹Ｃ８０５１Ｆ０４０內(nèi)置ＣＡＮ的軟件設(shè)計(jì)。
如果需要某一節(jié)點(diǎn)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(shí)設(shè)定的工作頻率為２５ＭＨｚ?ＣＡＮＴＸ引腳設(shè)為推挽方式，那么在初始化過程中，波特率應(yīng)配置為１６０ｋｂｐｓ，消息目標(biāo)禁止不用，配置消息目標(biāo)２為接收時(shí)的程序代碼如下：
ＣＡＮ_ＩＮＩＴ：
ＭＯＶ ＳＦＲＰＡＧＥ，＃０１Ｈ
ＯＲＬ ＣＡＮ０ＣＮ，＃４１Ｈ ；設(shè)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(biāo)（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?yàn)閷�，改變仲裁�?/p>
ＭＯＶ Ｒ１，＃２０Ｈ
ＭＯＶ ＣＡＮ０ＡＤＲ， ＃０８Ｈ ；指向ＩＦ１的命令寄存器
ＥＮＡＢＬＥ_(tái)ＭＥＳＳＡＧＥ_(tái)ＯＢＪＥＣＴＳ：
ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，Ｒ１ ；寫Ｒ１指向的消息目標(biāo)
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_(tái)ＭＥＳＳＡＧＥ_(tái)ＢＪＥＣＴＳ
；配置消息目標(biāo)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(biāo)有效，標(biāo)準(zhǔn)仲裁幀，方向?yàn)榻邮?/p>
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(hào)消息目標(biāo)
ＷＡＩＴ_ＴＲＡＮＳＦＥＲ_ＯＶＥＲ１；
ＭＯＶ Ａ，ＣＡＮ０ＤＡＴＨ ； 讀命令寄存器
ＪＢ ＡＣＣ．７，ＷＡＩＴ_ＴＲＡＮＳＦＥＲ_ＯＶＥＲ１
; 等待寫結(jié)束
;ＣＡＮ進(jìn)入操作模式
ＭＯＶ ＣＡＮ０ＣＮ,＃００００００１０Ｂ ； ＣＡＮ進(jìn)入正常操作模式狀態(tài)中斷使能，
ＲＥＴ
發(fā)送過程是將存儲(chǔ)在從ＢＵＦ０起始地址中的２個(gè)字節(jié)的Ａ／Ｄ采樣數(shù)據(jù)，通過ＩＦ１傳送到消息目標(biāo)１的過程。其啟動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)仲幀
ＭＯＶ ＣＡＮ０ＤＡＴＬ，＃０４Ｈ ；寫ＩＦ１仲裁寄存器２，發(fā)送對象的地址０１因標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)１及啟動(dòng)發(fā)送
ＲＥＴ
４ 結(jié)束語
Ｃｙｇｎａｌ公司的單片機(jī)Ｃ８０５１Ｆ０４０是一種完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片(ＳＯＣ)，它具有與８０５１指令集完全兼容的ＣＩＰ－５１內(nèi)核?代表了８位單片機(jī)的發(fā)展方向。它不僅集成有構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)常用的外設(shè)，而且集成了逐漸成為控制領(lǐng)域首選的高可靠性、高性能Ｃ８０５１Ｆ０４０ ＣＡＮ總線;本文使用該芯片設(shè)計(jì)的測控系統(tǒng)智能節(jié)點(diǎn)具有集成度高、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。由于Ｃ８０５１Ｆ０４０可達(dá)
到２５ＭＨｚ工作頻率，因而可提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。此外，由于ＢＯＴＳＣＨ ＣＡＮ內(nèi)有３２個(gè)自帶掩碼消息目標(biāo)的特殊設(shè)計(jì)，因此，用其進(jìn)行分布式在線測控系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)之間的相互數(shù)據(jù)傳遞設(shè)計(jì)將更為簡單。
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