煤礦井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中CAN智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

CAN總線以其高速率、遠(yuǎn)距離、高可靠性和容錯(cuò)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可取代RS485等傳統(tǒng)的通信方式，應(yīng)用于煤礦井下的通信網(wǎng)絡(luò)中。本文設(shè)計(jì)了煤礦井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中與傳感器通信的CAN智能節(jié)點(diǎn)模塊，并給出了硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方案。

1CAN總線簡(jiǎn)介

CAN（Controller Area Network控制器局域網(wǎng)）在國外是發(fā)展最快的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。CAN總線具有如下特點(diǎn)：目前為止惟一有國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線；數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)（最遠(yuǎn)可達(dá)10Km）；數(shù)據(jù)傳輸速率高（最大可達(dá)到1Mbit/s）；可靠的錯(cuò)誤撿錯(cuò)和處理機(jī)制；發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動(dòng)重發(fā)；節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)退出總線的功能；節(jié)點(diǎn)只需通過對(duì)報(bào)文的標(biāo)識(shí)符濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式發(fā)送接受數(shù)據(jù)；報(bào)文采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，不易受干擾，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率低；通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活，組網(wǎng)方便。

2CAN智能節(jié)點(diǎn)模塊結(jié)構(gòu)

CAN總線系統(tǒng)中共有兩種類型的節(jié)點(diǎn)：不帶微處理器的非智能節(jié)點(diǎn)和帶微處理器的智能節(jié)點(diǎn)，本文中設(shè)計(jì)的CAN節(jié)點(diǎn)是由微處理器和可編程的CAN控制芯片組成的智能節(jié)點(diǎn)。該CAN智能節(jié)點(diǎn)模塊主要由單片機(jī)、CAN控制器、CAN總線驅(qū)動(dòng)器組成，該模塊實(shí)際上是一個(gè)雙向通信接口電路，CAN總線數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送由“CAN協(xié)議控制器＋CAN收發(fā)器”完成，RS232數(shù)據(jù)接收、發(fā)送由微處理器完成。微處理器負(fù)責(zé)根據(jù)協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)打包、轉(zhuǎn)換、控制。

3硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1芯片選擇

（1）單片機(jī)的選擇。CAN智能節(jié)點(diǎn)模塊中單片機(jī)的功能主要是負(fù)責(zé)完成CAN通信協(xié)議，接收和發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)，在此選擇具有ISP編程功能的STC89C516RD+作為該模塊的核心控制器件。

（2）CAN控制器的選擇。選擇Philips公司生產(chǎn)的獨(dú)立的CAN控制器SJA1000，它是PCA82C200 CAN控制器的替代產(chǎn)品，可以與多種類型的單片機(jī)、微型計(jì)算機(jī)的各類標(biāo)準(zhǔn)總線進(jìn)行接口結(jié)合，主要用于移動(dòng)目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制。

（3）CAN總線驅(qū)動(dòng)器的選擇。選擇CAN網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用比較廣泛的CAN總線驅(qū)動(dòng)器PCA82C250，該器件可以提供對(duì)總線信號(hào)的差動(dòng)發(fā)送和接收功能。

（4）其它元器件的選擇。為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，選擇高速光耦6N137作為SJA1000與PCA82C250之間的隔離模塊；由于光耦部分電路需要采用兩個(gè)完全隔離的電源，否則光耦也就失去了意義，在此選擇B0505S-W作為DC/DC電源隔離模塊。

3.2電路設(shè)計(jì)

SJA1000的AD0～AD7分別與STC89C516RD+的P00～P07相連接；SJA1000作為微控制器的外擴(kuò)展芯片，其片選引腳CS接在STC89C516RD+的地址線上，從而決定了CAN控制器各寄存器的地址，CPU可通過這些地址對(duì)SJA1000執(zhí)行相應(yīng)的讀/寫操作；SJA1000的ALE、RD、WR和RESET直接與STC89C516RD+的ALE、RD、WR、RESET引腳相對(duì)連接；SJA1000的INT與STC89C516RD+的INT0相連接，使STC89C516RD+可以通過中斷方式對(duì)SJA1000進(jìn)行訪問。

為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，SJA1000的TX0和RX0并不是直接與CAN總線驅(qū)動(dòng)器PCA82C250的TXD和RXD相連，而是通過高速光耦6N137后與PCA82C250相連。不過，光耦部分電路所采用的兩個(gè)電源VCC和VDD必須完全隔離，否則采用光耦也就失去了意義。電源的完全隔離采用小功率的電源隔離模塊B0505S-1W來實(shí)現(xiàn)。

另外，為了匹配總線阻抗，確保正常通信，需要在CAN總線兩端接兩個(gè)120Ω的電阻。

4軟件設(shè)計(jì)

4.1CAN智能節(jié)點(diǎn)初始化程序設(shè)計(jì)

（1）寫控制寄存器，使SJA1000進(jìn)入復(fù)位工作模式。（2）對(duì)SJA1000的時(shí)鐘分頻寄存器定義，判斷是使用BasicCAN模式還是使用PeliCAN模式；是否使能CLOCKOUT及輸出時(shí)鐘頻率；是否使用旁路CAN輸入比較器；TX1輸出是否采用專門的接收中斷。（3）寫驗(yàn)收代碼寄存器和驗(yàn)收屏蔽寄存器，對(duì)驗(yàn)收濾波器進(jìn)行設(shè)置，使CAN控制器只允許接收標(biāo)識(shí)碼位和驗(yàn)收濾波器中預(yù)設(shè)值相一致的報(bào)文進(jìn)入RXFIFO中。（4）寫總線定時(shí)寄存器定義總線的位速率、位周期內(nèi)的采樣點(diǎn)和一個(gè)位周期的采樣數(shù)量。（5）通過寫輸出控制寄存器，定義CAN總線輸出管腳TX0、TX1的輸出模式和輸出配置。（6）寫控制寄存器，清除SJA1000的復(fù)位請(qǐng)求標(biāo)志，進(jìn)入正常工作模式。

4.2CAN通信報(bào)文發(fā)送程序設(shè)計(jì)

發(fā)送子程序負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)報(bào)文的發(fā)送。發(fā)送時(shí)只需將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按照特定格式組合成一幀報(bào)文，送入SJA1000發(fā)送緩沖區(qū)中，然后啟動(dòng)SJA1000發(fā)送即可。當(dāng)然在往SJA1000發(fā)送緩沖區(qū)發(fā)送報(bào)文之前，必須先做一些判斷。發(fā)送程序分發(fā)送遠(yuǎn)程幀和數(shù)據(jù)幀兩種，遠(yuǎn)程幀沒有數(shù)據(jù)場(chǎng)。

4.3CAN通信報(bào)文接收程序設(shè)計(jì)

接收子程序負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)報(bào)文的接收以及其它情況處理。接收子程序比發(fā)送子程序要復(fù)雜一些，判斷SJA1000接收緩沖區(qū)中是否有有效報(bào)文主要有兩種方式：中斷方式和查詢方式，兩種工作方式編程的思路基本相同。在判斷接收緩沖區(qū)中有有效報(bào)文后采用查詢方式接收?qǐng)?bào)文。