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CAN(Controller Area NetWork)總線技術是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網絡，廣泛應用于工業控制。其硬件連接簡單，可靠性好，實時性和性價比高，能夠很好地滿足計算機聯鎖系統通信網絡對實時性和可靠性的要求。 AVR單片機是由Atmel公司研發的增強型內置Flash的RISC高速8位單片機。本設計使用的是AVR系列新型單片機AT90CAN128，它自帶CAN控制器，使得通信部分的硬件電路設計大大簡化，因此增強了系統可靠性。 1 CAN總線技術簡介 CAN總線是德國Bosch公司20世紀80年代初為解決現代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開發的一種串行數據通信協議。它是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。通信速率可達1 Mbps。CAN總線通信接口中集成了CAN協議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括位填充、數據塊編碼、循環冗余檢驗、優先級判別等工作。CAN總線具有以下技術特性： ①廢除了傳統的站地址編碼，改為對通信數據塊進行編碼。采用這種方法的優點是，可使網絡內的節點個數在理論上不受限制，數據塊的標識碼可由11位或29位二進制數組成，因此可以定義211或229個不同的數據塊；這種按數據塊編碼的方式，還可使不同的節點同時接收到相同的數據，這一點在分布式控制系統中非常有用。 ②數據段長度最多為8個字節，可滿足通常工業領域中控制命令、工作狀態及測試數據的一般要求。同時，8個字節不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。CAN協議采用CRC校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。 ③CAN采用非破壞總線仲裁技術。當多個節點同時向總線發送信息出現沖突時，優先級較低的節點會主動退出發送，而優先級最高的節點可不受影響地繼續傳輸數據，從而大大節省了總線沖突仲裁時間。即使在網絡負載很重的情況下，也不會出現網絡癱瘓的情況。 2 AT90CAN128功能簡介 2．1 基本特性 AT90C2AN128微控制器采用具有先進的RISC結構和低功耗的8位單片機，在一個時鐘周期內執行一條指令，因此可以達到接近1 MIPS／MHz的性能。 AT90CAN128具有以下特點：128 KB的可在系統編程／應用編程(ISP／IAP)Flash程序存儲器，4 KB SRAM，32個通用工作寄存器，53個通用I／O口，實時時鐘計數器(RTC)，4個帶有比較模式靈活的定時器／計數器，2個可編程的USRAT接口，1個8位面向字節的TWI(I2C)總線接口，8通道單端或差分輸入的10位ADC(其中1個差分通道為增益可調的)，可編程帶內部振蕩器的看門狗定時器，1個SPI接口，1個符合2．0A或2．0B的CAN控制器接口，一個兼容IEEE1149．1標準的JTAG接口(用于在線仿真調試和程序下載)，6種可通過軟件選擇的節電模式。 2．2 內置CAN控制器 AT90CAN128內置完全符合CAN2．0A和2．0B標準協議的CAN控制器。采用Mob(消息對象)方式進行數據的發送和接收，共有15個Mob，它們具有相同的屬性：有11位標識符(2．0A協議)，也可擴展至29位(2．0B協議)；最多為8字節數據緩沖(靜態分配)；Tx、Rx幀緩沖或自動響應配置；時間標識。CAN控制器的結構如圖1所示。 Mob用來設置幀格式和存放數據。Mob的數目是0～14，它們相互獨立，但在進行總線仲裁時，低位的Mob會獲得優先權。每個Mob都被安置在一個頁中來保存，頁的序號即Mob的序號。 3 控制單元的軟硬件設計 3．1 整體結構 開關量控制單元與計算機聯鎖系統中其他的控制單元以及上位機等節點共同構成CAN通信網絡。每一個控制單元都有自己獨立的地址，當上位機發出指令時，網絡中的CAN節點對指令中的地址信息進行比對，如果與自己的地址一致則接收數據并執行相應的控制命令。AT90CAN128的CAN控制器接口與TJA1050芯片通過光耦相連組成CAN通信通道，接收上位機下發的控制命令，使電子開關吸合或斷開，即接通或斷開負載。其A／D轉換通道對負載電路的電流進行采樣，如果電流過載，則單片機停止輸出周期性脈沖信號給動態電路，斷開與電源相連的繼電器組，切斷電源供給，以保證系統安全。 開關量控制單元的硬件結構如圖2所示。 3．2 硬件設計(CAN通信部分) AT90CAN128的晶振頻率在5 V時可以達到16MHz，其與CAN總線的硬件連接如圖3所示。 本設計中，CAN通信采用AT90CAN128內置的CAN控制器與CAN收發器TJA1050經高速光耦6N137相連接。TJA1050速率高，最高可達1 Mbps，提供總線與電源及地之間的短路保護。其引腳8(STB)用于選定工作模式，有兩種工作模式可供選擇：高速或待機。這里，引腳8接地，選擇高速模式，高速模式是TJA1050的正常工作模式。如果引腳接高電平，則TJA1050將進入待機模式，發送器被關閉。高速光耦6N137起隔離控制器與工業現場的作用，可以提高系統的抗干擾能力。電路采用獨立的電源供電，有效地避免了外界電壓變化對通信的影響。 3．3 軟件設計 CAN總線節點要有效、實時地完成通信任務，軟件的設計是關鍵。CAN總線節點的軟件設計主要包括CAN控制器的初始化、數據接收和數據發送程序。主程序通過調用函數來實現數據的接收和發送。 3．3．1 CAN初始化 為了正確地實現通信，這一部分要對波特率，標識碼寄存器CANIDT、標識碼屏蔽寄存器CANIDM，發送與接收Mob的頁號，數據長度、中斷開啟、Mob使能等內容作出設置。本設計采用CAN2．0A協議，即標識符為11位。將標識碼寄存器CANIDT1設置為開關量控制單元的地址Addr，其余的標識碼寄存器設置為0。該地址只使用一個8位寄存器，因此標識碼屏蔽寄存器只需設置CANIDM1為0xFF，其余的標識碼屏蔽寄存器設置為0。 由4個標識碼寄存器CANIDT、標識碼屏蔽寄存器CANIDM組成驗收濾波器，信息只有通過它的驗收濾波才能被接收。所有驗收屏蔽寄存器為0的位，驗收碼寄存器和CAN信息幀對應位必須相同才能驗收通過；而所有驗收屏蔽寄存器為1的位，驗收碼寄存器對應位的驗收濾波功能則被屏蔽。本例中只接收ID為Addr的信息。 3．3．2 發送子程序 發送時只需將待發送的數據按特定格式送入發送緩存區中，然后啟動發送即可。 3．3．3 接收子程序 消息的接收采用中斷方式實現。首先要關閉接收中斷，然后設置CANPAGE寄存器來指定接收的頁數，隨后由CANCDMob寄存器來控制接收動作。當有消息到達時，將觸發CANSTMob寄存器中的RXOK中斷，消息中的數據將被裝載到CANMSG寄存器中。 結 語 本文詳細介紹了以AT90CAN128微控制器為核心的開關量控制單元的主要軟硬件設計。與目前同類型的單片機相比較，AT90CAN128由于內置CAN控制器，因而可大大降低設備成本，簡化硬件結構，提高通信效率、安全性以及可靠性。實踐證明，開關量控制單元在計算機聯鎖系統中運行穩定，能夠很好地實現預期的功能。 |
