CAN總線在智能儀表中的應(yīng)用研究

孔祥斌 鄭賓 李向楠

【摘要】本文詳細(xì)介紹了儀表的CAN總線通信的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，對(duì)MSP430FG4618單片機(jī)、CAN控制器SJA1000、以及CAN收發(fā)器82C250進(jìn)行了探究，并以它為處理器進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，使CAN總線的通訊更加直觀。本文在分析論述了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的有關(guān)性能特點(diǎn)及CAN協(xié)議規(guī)范后，完成了CAN通信卡的電路設(shè)計(jì);在軟件上實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)通過(guò)CAN通信卡對(duì)CAN現(xiàn)場(chǎng)總線儀表實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理等功能。

【關(guān)鍵詞】CAN總線;智能儀表;SJA1000;數(shù)據(jù)記錄儀

1.引言

CAN現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是一個(gè)控制技術(shù)新時(shí)代的開(kāi)端，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)采用雙線制、多回路的全數(shù)字化信息傳輸，不僅提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，同時(shí)也可以大大節(jié)省控制系統(tǒng)的投資、安裝及后期的維護(hù)費(fèi)用?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化及可互連和互操作性，有助于CAN現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)進(jìn)一步向分散化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。開(kāi)展CAN總線在智能儀表系統(tǒng)中的應(yīng)用的課題研究，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)際意義。本設(shè)計(jì)在硬件上采用了單片機(jī)MSP430FG4618作為儀表的CAN總線的控制核心，成功地運(yùn)用了CAN收發(fā)器82C250連接CAN總線，使儀表具有通訊的功能。

本設(shè)計(jì)采用微處理器作為儀表的核心，設(shè)計(jì)出的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)，能完成數(shù)據(jù)記錄的功能和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存等功能。此外，儀表采用目前較為流行的CAN總線接口來(lái)實(shí)現(xiàn)通訊功能，使得儀表的性能得到提高。本設(shè)計(jì)在硬件上采用了單片機(jī)MSP430FG4618作為儀表的CAN總線的控制核心，成功地運(yùn)用了CAN收發(fā)器82C250連接CAN總線，使儀表具有通訊的功能。研究的內(nèi)容包括儀表的硬件電路設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)（PC）能實(shí)時(shí)地顯示數(shù)據(jù)等多方面的研究，為實(shí)際CAN總線在智能儀表中的應(yīng)用提供了多種解決方案和實(shí)例，可供在真正的實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行選擇使用[1，2，3，4]。

2.CAN總線的體系結(jié)構(gòu)

CAN總線是開(kāi)放系統(tǒng)，但沒(méi)有嚴(yán)格遵循國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織工SO的開(kāi)放系統(tǒng)互連的七層參考模型OSI，處于對(duì)實(shí)時(shí)性和降低成本等因素的考慮，CAN總線只采用了其中最關(guān)鍵的三層，即物理層，數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，其中數(shù)據(jù)鏈路層又進(jìn)一步分為邏輯鏈路控制子層LLC和媒體訪問(wèn)控制子層MAC，而應(yīng)用層則包含了ISO/OSI模型中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層外其余各層的功能。CAN總線的體系結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。

圖2.1 CAN總線的體系結(jié)構(gòu)

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文所述系統(tǒng)是一個(gè)典型的CAN總線在智能儀表應(yīng)用系統(tǒng)，針對(duì)CAN總線在智能儀表系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了多方面的研究，除利用SJA1000構(gòu)成CAN總線的控制系統(tǒng)外，對(duì)MSP430的通訊、FLASH的讀寫、日期和時(shí)間的獲取等都進(jìn)行了成功的的實(shí)踐，完成了實(shí)際硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件編程，為實(shí)際CAN總線在智能儀表中的應(yīng)用提供了多種解決方案和實(shí)例，可供在真正的實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行選擇使用。總的電路框圖如圖3.1所示。

圖3.1 總電路框圖

3.1 MSP430FG4618單片機(jī)外圍電路

MSP430系列單片機(jī)是一個(gè)16位的單片機(jī)，采用了精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（7種源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址）、簡(jiǎn)潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令;大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算;還有高效的查表處理指令;有較高的處理速度，在8MHz晶體驅(qū)動(dòng)下指令周期為125ns，這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。

圖3.2 單片機(jī)外圍電路

3.2 CAN控制器SJA1000

SJA1000是一種CAN獨(dú)立控制器用于移動(dòng)目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制。它是PHILIPS半導(dǎo)體PCA82C200 CAN控制器（BasicCAN）的替代產(chǎn)品而且它增加了一種新的工作模式PeliCAN，這種模式支持具有很多新特性的CAN 2.0B協(xié)議。SJA1000是一種I/O設(shè)備基于內(nèi)存編址的微控制器。雙設(shè)備的獨(dú)立操作是通過(guò)像RAM一樣的片內(nèi)寄存器修正來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖3.3 CAN總線控制器SJA1000部分原理圖

SJA1000的地址區(qū)包括控制段和信息緩沖區(qū)?？刂贫卧诔跏蓟d入是可被編程來(lái)配置通訊參數(shù)的（例如，位時(shí)序）。微控制器也是通過(guò)這個(gè)段來(lái)控制CAN總線上的通訊。在初始化時(shí)CLKOUT信號(hào)可以被微控制器編程指定一個(gè)值。微控制器和SJA1000之間狀態(tài)、控制和命令信號(hào)的交換都是在控制段中完成的。初始載入后，寄存器的驗(yàn)收代碼、驗(yàn)收屏蔽、總線定時(shí)寄存器0和1以及輸出控制就不能改變了。只有控制寄存器的復(fù)位位被置高時(shí)，才可以訪問(wèn)這些寄存器[5]。

4.軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能是：通過(guò)SJA1000接收CAN總線其他節(jié)點(diǎn)傳來(lái)得數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存到SJA1000的FIFO中，單片機(jī)MSP430把FIFO中的數(shù)據(jù)存到內(nèi)存中。當(dāng)內(nèi)存中存儲(chǔ)了500個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)后，MSP430把這些數(shù)據(jù)寫入FLASH的一頁(yè)中長(zhǎng)期存儲(chǔ)。當(dāng)接入U(xiǎn)盤時(shí)，MSP430能夠自動(dòng)判斷出U盤已經(jīng)接入，然后從FLASH中讀出數(shù)據(jù)到內(nèi)存，再將內(nèi)存緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)寫入U(xiǎn)盤內(nèi)。另外，系統(tǒng)裝有時(shí)鐘芯片DS1302，可以隨時(shí)獲取時(shí)間信息。軟件設(shè)計(jì)中將接收數(shù)據(jù)的日期和時(shí)間與數(shù)據(jù)一起作為一個(gè)數(shù)據(jù)塊寫入FLASH或存入U(xiǎn)盤中[6，7]。單片機(jī)MSP430的USART單元也可以把數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳給PC機(jī)。如圖4.1所示。

圖4.1 主程序流程圖

圖5.1 CAN總線通訊卡KPCI-8110

5.系統(tǒng)組合與測(cè)試

本設(shè)計(jì)中利用CAN總線通訊卡KPCI-8110通過(guò)CAN總線向記錄儀發(fā)送數(shù)據(jù)，此卡由北京科瑞興業(yè)科技有限公司制作，采用光電隔離技術(shù)，適用于各種工控機(jī)、兼容機(jī)（PCI總線）的長(zhǎng)距離傳輸，傳輸速率高。CAN總線通訊卡KPCI-8110如圖5.1所示。

測(cè)試界面如圖5.2所示。

圖5.2 用戶界面

該程序的主要功能是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼和顯示。首先將存入U(xiǎn)盤的數(shù)據(jù)文件拷貝到PC機(jī)上，此文件是.dat格式，需要對(duì)此文件進(jìn)行解碼，把它變?yōu)?txt格式。用戶可以點(diǎn)擊“打開(kāi)”按鈕添加要解碼的.dat文件，然后點(diǎn)擊“解碼”按鈕就可以將其轉(zhuǎn)換為.txt文件。最后，再點(diǎn)擊“顯示”按鈕就能夠把.txt文件顯示在用戶界面的list control中。程序可以區(qū)分出數(shù)據(jù)的各部分信息，按照序號(hào)、時(shí)間標(biāo)識(shí)、幀格式、幀類型、幀ID和數(shù)據(jù)的格式，將數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，方便用戶進(jìn)行分析[8，9]。

6.結(jié)束語(yǔ)

本文中給出了部分硬件原理圖、實(shí)物圖以及軟件的流程圖。此系統(tǒng)具有燒寫簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。且具備遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示和傳輸?shù)墓δ?。此系統(tǒng)已在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

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作者簡(jiǎn)介：孔祥斌（1987—），男，山東滕州人，中北大學(xué)碩士研究生在讀，主要研究方向：動(dòng)態(tài)計(jì)量測(cè)試技術(shù)。