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圖1  總體框圖

圖2  CAN總線系統(tǒng)智能節(jié)點(diǎn)硬件電路原理圖

    從圖2中可以看出電路主要由四部分構(gòu)成，微控制器89c51，獨(dú)立CAN通信控制器SJA1000，CAN總線收發(fā)器82c250和高速光電耦合器6N137。微處理器89c51負(fù)責(zé)SJA1000的初始化，通過控制SJA1000實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送等通信任務(wù)。
硬件電路的設(shè)計(jì)并不是太困難，但有幾點(diǎn)應(yīng)引起注意：

    (1)  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82c250的TXD和RXD相連，而是通過高速光電耦合器6N137后與82c250相連，這樣就很好地實(shí)現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點(diǎn)之間的電氣隔離。不過需特別說明的是光耦部分電路所采用的兩個電源Vcc和VDD必須完全隔離，否則采用光耦也就失去了意義。

    (2)  82c250與CAN總線的接口部分也采取了一定的安全和抗干擾措施。82c250的CANH和CANL引腳各自通過1個5Ω的電阻與CAN總線相連，電阻可起到一定的限流作用，保護(hù)82c250免受過流的沖擊；CANH和CANL與地之間并聯(lián)了2個30pF的小電容，可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的作用；另外在兩根CAN總線接入端與地之間分別反接了一個保護(hù)二極管，當(dāng)CAN總線有較高的負(fù)電壓時，通過二極管的短路可起到一定的過壓保護(hù)作用。82c250的Rs腳上與地之間的電阻Rs稱為斜率電阻，它的取值決定了系統(tǒng)處于高速工作方式還是斜率控制方式，把該引腳直接與地相連，系統(tǒng)將處于高速工作方式，在這種方式下，為避免射頻干擾，建議使用屏蔽電纜作總線；而在波特率較低，總線較短時，一般采用斜率控制方式，上升及下降的斜率取決于Rs的阻值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明15～200kΩ為Rs的較理想的取值范圍，在這種方式下，可以使用平行線或雙絞線作總線。

    (3)  總線兩端應(yīng)接有兩個120Ω的電阻，對于匹配總線阻抗起著相當(dāng)重要的作用，忽略掉它們，會使數(shù)據(jù)通信的抗干擾及可靠性大大降低，甚至無法通信。

3  軟件設(shè)計(jì)

    CAN總線節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要包括：CAN節(jié)點(diǎn)初始化，信息的接受和發(fā)送，熟悉這兩個方面的程序設(shè)計(jì)，就能編寫出利用CAN總線進(jìn)行通信的一般應(yīng)用程序。當(dāng)然，要將CAN總線應(yīng)用于通信任務(wù)比較復(fù)雜的系統(tǒng)中，還需詳細(xì)了解有關(guān)CAN總線錯誤處理、總線脫離處理、接受濾波處理、波特率參數(shù)的設(shè)置和自動檢測以及CAN總線通信距離和節(jié)點(diǎn)數(shù)的計(jì)算等方面的內(nèi)容。下面僅就前面提到的兩部分程序設(shè)計(jì)流程作個描述。

3.1  初始化子程序

    SJA1000的初始化只有在復(fù)位模式下才可以進(jìn)行，初始化包括工作方式的設(shè)置，接受濾波方式的設(shè)置，接受屏蔽寄存器AMR和接受代碼寄存器ACR的設(shè)置，波特率參數(shù)設(shè)置和中斷允許寄存器IER的設(shè)置等，流程圖如圖3所示。

圖3  SJA1000的初始化流程圖

3.2  信息接受和發(fā)送子程序

流程圖如圖4所示。

4  設(shè)計(jì)中需注意的問題

4.1  SJA1000的工作模式

    SJA1000有Basicmode和Pelimode兩種工作模式，兩種模式的底層都遵守CAN協(xié)議，如數(shù)據(jù)編碼、錯誤處理等，不同之處在于高層，如數(shù)據(jù)過濾、與MPU的接口部分等。

圖4  發(fā)送/接受中斷服務(wù)程序流程圖

    SJA1000上電復(fù)位后自動進(jìn)入Basicmode模式，在此模式下，SJA1000有復(fù)位（reset）和運(yùn)行（operating）兩種狀態(tài)，在復(fù)位狀態(tài)下完成對SJA1000某些寄存器的初始化工作，上電復(fù)位，SJA1000退出總線（Bus-off）和軟件置位復(fù)位請求都能引起SJA1000進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。

4.2  總線定時寄存器BTR1和BTR0的初始化

    總線定時寄存器的設(shè)置極大地影響了CAN性能的發(fā)揮，一般來說，若硬件連接無誤，通信失敗的主要原因在于總線定時寄存器的設(shè)置不當(dāng)。

4.3  接受碼寄存器和接受屏蔽寄存器的初始化

    接受碼寄存器和接受屏蔽寄存器構(gòu)成硬件過濾，CAN控制節(jié)點(diǎn)通過它來決定是否接受總線上的報(bào)文，是否置CAN的接受中斷，極大的提高了系統(tǒng)的靈活性，為此，在對報(bào)文進(jìn)行編碼時，需使每個節(jié)點(diǎn)所要接受的報(bào)文標(biāo)識符中有盡可能多的共同位，這樣可以減少總線上無關(guān)報(bào)文對該節(jié)點(diǎn)的干擾。

4.4  狀態(tài)寄存器的處理

    可以通過CAN控制器的狀態(tài)寄存器了解數(shù)據(jù)傳輸狀況，為了保證數(shù)據(jù)的正常收發(fā)，需要對狀態(tài)寄存器各狀態(tài)位作出相應(yīng)處理，這里可以采用查詢或中斷方式進(jìn)行。

4.5  SJA1000的自我測試功能

    SJA1000的Pelican模式可提供自我測試功能，這種功能在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時很有用，特別在只有一個CAN節(jié)點(diǎn)時也可以進(jìn)行測試。

5  CAN總線在智能儀表中的應(yīng)用及前景

    現(xiàn)場總線技術(shù)以其獨(dú)有的技術(shù)優(yōu)勢和特點(diǎn)，在現(xiàn)代分布式測量與控制技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛。各種現(xiàn)場總線的主控制器一般都內(nèi)嵌有相當(dāng)完善的、開放式的互連通信協(xié)議，它具有速度快、誤碼率低、開放設(shè)計(jì)簡單以及網(wǎng)絡(luò)使用維護(hù)方便等諸多特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化現(xiàn)場測量與控制技術(shù)的一個發(fā)展方向。但目前在許多現(xiàn)場已投入使用的測量與控制系統(tǒng)中，各儀器設(shè)備或裝置之間通信所使用的仍是傳統(tǒng)的RS-485或RS-422總線。在不斷投入新型現(xiàn)場總線系統(tǒng)的同時，要在短期內(nèi)改造或淘汰那些舊系統(tǒng)是不現(xiàn)實(shí)的，但CAN總線廣泛應(yīng)用是大勢所趨，特別是在智能儀表方面的應(yīng)用中。

    CAN總線具有高性能、高可靠性、高性價比、連接方便、實(shí)時性好以及獨(dú)特的設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，CAN總線廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中的各檢測和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)通信。本文在pH測試儀的基礎(chǔ)上進(jìn)行不斷的更新，利用已經(jīng)投入的智能儀表進(jìn)一步改造，利用CAN總線負(fù)載能力大，上位機(jī)程序簡單易開發(fā)，上位機(jī)界面易處理等特點(diǎn)，逐步改進(jìn)智能儀表的通信，并將其逐漸推廣。而在此之前，筆者已經(jīng)進(jìn)行了pH測試儀的研究，實(shí)現(xiàn)了其在現(xiàn)場中的應(yīng)用。本文是在pH測試儀基礎(chǔ)上的更新，使其功能進(jìn)一步完善，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，能夠完成現(xiàn)場總線在廠礦通信方面的應(yīng)用，替代RS-485等通信方式，突出現(xiàn)場總線在通信中易操作、成本低等優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到產(chǎn)品的實(shí)用和推廣，筆者探討的前景是逐步實(shí)現(xiàn)CAN總線網(wǎng)絡(luò)化的普及，令使用范圍擴(kuò)大化，最大限度的發(fā)揮其功效。