基于C8051F040的CAN總線智能節點設計

摘要： 給出了基于C8051F040的智能節點硬件、軟件設計方案。

關鍵詞： CAN總線；C8051F040；智能節點

引言

“X型火控系統”根據實際需要采用了CAN總線方式來實現其內部單體間的通信。CAN總線是一種用于各種設備檢測及控制的現場總線，它是一種多主總線，在高速網絡和低成本的節點系統中應用都很廣泛。CAN總線與一般的通信總線相比，它的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。其特點如下：
*可以多主方式工作。
*CAN節點只需對報文的標識符濾波即可實現點對點、一點對多點及全局廣播方式發送和接收數據。
*CAN總線通信格式采用短幀格式。
*采用非破壞性總線仲裁技術。
*直接通信距離最大可達10km (速率5kb/s以下)，最高通信速率可達1Mb/s (此時距離最長為40m)，節點數可達110個，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。
*CAN總線采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數據通信的可靠性。

C8051F040及其內部CAN控制器

C8051F040內部集成有CAN控制器，主要由CAN內核、消息RAM、消息處理單元和控制寄存器組成，圖１為C8051F040集成CAN的結構圖。

圖1中，CAN內核由CAN控制器和負責消息收發的內部寄存器組成，消息RAM用于存儲消息目標和每個目標的仲裁掩碼，并且每一個消息目標都有它自己的識別掩碼，所有的數據傳輸和接收濾波都是由CAN控制器完成的。消息處理單元用于根據寄存器中的信息來控制CAN內核中移位寄存器和消息ＲＡＭ之間的數據傳遞，同時它還可用來管理中斷的產生。

圖1  C8051F040集成CAN的結構圖

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、狀態寄存器、設置波特率的位定時寄存器 、測試寄存器、錯誤計數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狀態以及獲取接收數據、傳遞發送數據都由SFR中的６個特殊寄存器來完成。其中CAN0ＣＮ、CAN0TST和CAN0STA３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。

圖２ CIP-51訪問CAN中控制寄存器和每個消息的路徑圖

基于C8051F040的CAN智能節點設計

由于CAN總線采用多主方式工作，所以CAN總線系統具有與DCS(分布式控制系統)不一樣的拓撲結構。圖3所示是某型火控系統的總線系統結構。該系統結構最大的特點就是所有的節點都能以平等的地位掛接在總線上。CAN總線智能節點之間能夠相互進行通信，以完成數據交換。一個智能節點通常至少包括三個部分，即負責節點任務控制的單片機、總線控制器及總線收發器。由于C8051F040單片機為內部集成有CAN控制器，因此智能節點主要由C8051F040和CAN收發器TJA1050組成。

圖3 某型火控系統的CAN總線結構

圖4是一個以C8051F040為核心的智能節點硬件框圖。由于C8051F040集成的是CAN控制器，要使CAN總線得以運行，還需外加CAN總線收發器，常用的CAN總線收發器有Philips公司的PCA82C250收發器、高速TJA1050收發器等。本系統采用了TJA1050高速CAN收發器來替代傳統的PCA82C250收發器，TJA1050具有電磁輻射低、防短路、不上電時對總線無影響等特點，它的引腳Ｓ可以選擇高速或靜音兩種模式，并可由C8051F040的P4.0控制，CAN總線上兩端節點8一般加上兩個60W的電阻和47nf的電容對信號吸收，以避免信號反射。為了進一步提高系統的抗干擾能力，在CAN控制器引腳CANTX、CANRX和收發器TJA1050之間并不是直接相連，而是通過由高速光耦6N137構成的隔離電路后再與TJA1050相連，這樣就可以很好的實現總線上各節點的電氣隔離。這部分增加了節點的復雜性，但它卻提高了節點的穩定性和安全性。

圖4  智能節點硬件框圖

CAN智能節點主要完成的任務是：將相關數據數傳送給其它節點，同時從總線上接收本節點所需要的數據。因此智能節點的CAN通信主要包括系統初始化程序、發送程序、接收程序等。在本例中，系統軟件采用結構化程序設計方案，使其具有較好的模塊性和可移植性，對于不同的系統功能或不同的應用環境，可以方便地進行編程重組。

系統初始化程序

初始化程序主要完成對所有的報文對象進行初始化(一般將所有值置零)，對CAN控制寄存器(CAN0CN)、位定時寄存器(BITREG)進行設置，還要對發送報文對象和接收報文對象分別進行初始化。其中，位定時寄存器的設置較為復雜，這里我們使用外部晶振為8MHz，CAN通信速率為500k/s，得到BITREG的初始值為0x2301。主程序中規定對象初始化、發送和接收初始化，最后才啟動CAN處理機制(對BITREG和CAN0CN初始化)，下面為CAN啟動程序：
void start_CAN(void){
SFPRAGE=CAN0_PAGE;  //指向CAN0
   頁面
CAN0CN|=0x41;  //將CCE和Init置“1”
   開始初始化
CAN0ADR=BITREG； //指向位定時寄存器
   進行配置
CAN0DAT=0x2301;  //位率為500k/s
CAN0CN|=0x06;  //允許全局中斷，IE和
   SIE置位
CAN0CN &=～0x41;  //清楚CCE和INIT
   位，啟動CAN狀態機制
             }

發送程序

CAN報文發送是由CAN控制器自動完成的，用戶只需根據接收到的遠程幀的識別符，將對應的數據轉移到發送緩沖寄存器，然后將此報文對象的編碼寫入命令請求寄存器啟動發送即可，而發送由硬件來完成。這里，我們使用定時更新發送報文對象中的數據，數據的發送有控制器自動完成，當其收到一個遠程幀時，就將具有相同識別符的數據幀發送出去。其發送程序結構如下：
void transmit_message(char MsgNum)  {  
uchar  i;
SFRPAGE=CAN0_PAGE;  //指向CAN0
   頁面
CAN0ADR=IF1CMDMSK;  //向IF1命令
   屏蔽寄存器寫入命令
        CAN0DAT =0x0083;   //位率為500k/s
 CAN0ADR=IF1ARB2;  //指向IF1仲裁
   寄存器2
CAN0DATH |= 0x80;
        CAN0ADR=IF1DATA1;  //指向數據
   場的第一個字節
         for(i=0;i<4;i++){
CAN0DATH=can_temp[i];  //將4字節數據
   寫入發送緩沖器
           }
        CAN0ADR=IF1CMDRQST;
 CAN0DATL=MsgNum;  //將報文對象編
   號寫入，則數據發送到
   對應的報文對象
}

接收程序

CAN報文的接收與發送一樣，是由CAN控制器自動完成的，接收程序只需從接收緩存器中讀取接收的數據，再進行相應的處理即可。其基本方法與發送程序一致，只是接收程序采用中斷方式。在此應用中，接收程序主要接收上位機對智能節點的參數設置數據，只有當修改時才需要接收數據，所以采用中斷方式處理比較合適。接收程序結構如下：
void receive_data(void) {
SFRPAGE=CAN0_PAGE;  //指向CAN0    頁面
CAN0ADR=IF2CMDMSK;  //向IF2命令
   屏蔽寄存器寫命令
CAN0DATH =0x00;  //位率為500k/s
CAN0DATL =0x3F; 
CAN0ADR=IF2CMDRQST;  //將報文對象
   編號寫入命令請求寄存
   器，對應接收         CAN0DATL=MsgNum;  //得到數據就從報
   文RAM中移到數據
   緩沖器中
CAN0ADR=IF2DATA1;  //指向數據場的
   第一個字節
for(i=0;i<4;i++)
          { CAN_RX[i]=CAN0DAT;   //讀取
   4個字節數據
           }
　　　　　　}
　　　　　　
結語

在CAN總線的開發試驗過程中，經過實際測試，我們設計的基于C8051F040的CAN總線智能節點具有集成度高、性能穩定、抗電磁干擾能力強等特點。在通信波特率設置為500kbps時通信順暢，實現了某型火控系統內部單體間通信的可靠性、實時性、靈活性。

參考文獻：
1. 鄔寬明，CAN總線原理和應用系統設計，北京航空航天出版社，1996.
2. 童長飛，C8051F系列單片機開發與C語言編程，北京航空航天出版社，2005.
3. 饒運濤，現場總線CAN原理及應用技術，航空航天大學出版社，2003.