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摘要：cygnal生產(chǎn)的單片機(jī)c8051f040是代表８位單片機(jī)發(fā)展方向的高速（25m）混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片（soc）它不僅集成了一般測(cè)控系統(tǒng)需要的外設(shè)，而且集成了很有發(fā)展前景的現(xiàn)場(chǎng)總線—can總線控制器，文中對(duì)該芯片中的can控制器結(jié)構(gòu)作了分析，并給出了在分布式測(cè)控系統(tǒng)中使用該芯片的智能節(jié)點(diǎn)的硬件、軟件設(shè)計(jì)方案。 關(guān)鍵詞：c8051f040；can總線；分布式；測(cè)控節(jié)點(diǎn) １ 概述 分布式在線測(cè)控系統(tǒng)是由多個(gè)面向設(shè)備的、以ｍｃｕ為核心的智能處理單元和多個(gè)并行運(yùn)行且具有不同監(jiān)測(cè)和故障診斷功能的微機(jī)構(gòu)成的。該系統(tǒng)采取“分治”的設(shè)計(jì)思想它將數(shù)據(jù)采集以及部分?jǐn)?shù)據(jù)處理任務(wù)交給設(shè)備層的智能處理單元去完成而監(jiān)測(cè)診斷層主要負(fù)責(zé)監(jiān)視和故障診斷。分布式測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)均應(yīng)考慮各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信問(wèn)題因?yàn)橥ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)的選取對(duì)系統(tǒng)性能有很大影響。 國(guó)內(nèi)已開展了基于現(xiàn)場(chǎng)總線的在線測(cè)控系統(tǒng)的研究并利用ｃａｎ總線實(shí)現(xiàn)設(shè)備層的檢測(cè)處理、單元間的通信以及與上層監(jiān)測(cè)主機(jī)的通信。ｃａｎ總線就是一種支持分布式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的串行通信局域網(wǎng)絡(luò)總線。它的主要特點(diǎn)如下: ●任一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可在任一時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù),而從不分主從,因此，通信比較靈活; ●節(jié)點(diǎn)可分為不同的優(yōu)先級(jí),可以滿足不同的實(shí)時(shí)要求; ●采用非破壞性總線仲裁,當(dāng)兩節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí),優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)； ●通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)１０ｋｍ，通信最高速率可達(dá)１ｍｂｐｓ ●每幀數(shù)據(jù)的有效字節(jié)數(shù)為８，因此，可保證很短的傳輸時(shí)間，而且實(shí)時(shí)性強(qiáng)，受干擾的概率低；
●每幀數(shù)據(jù)都含有ｃｒｃ（循環(huán)冗余）校驗(yàn)及其它校驗(yàn)措施，因而數(shù)據(jù)出錯(cuò)率很低； ●ｃａｎ總線節(jié)點(diǎn)在嚴(yán)重錯(cuò)誤的情況下，可自動(dòng)切斷與總線的聯(lián)系，以使總線上的其它操作不受影響。 目前，ｃａｎ總線協(xié)議以其可靠性高、實(shí)時(shí)性好以及獨(dú)特的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為總線通信網(wǎng)絡(luò)的首選國(guó)內(nèi)目前使用較廣的是ｐｈｉｌｉｐｓ 生產(chǎn)的ｓｊａ１０００ 、８２ｃ２００等獨(dú)立的ｃａｎ控制器，由于這種獨(dú)立的控制器限制了測(cè)控節(jié)點(diǎn)的集成度，因此，很多微處理器生產(chǎn)廠家已經(jīng)開始生產(chǎn)內(nèi)部集成有ｃａｎ控制器的ｍｃｕ。美國(guó)ｃｙｇｎａｌ公司生產(chǎn)ｃ８０５１ｆ０４０就是內(nèi)部集成有ｂｏｓｃｈ ｃａｎ控制器的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片（ｓｏｃ）。本文將分析ｃ８０５１ｆ０４０ 的ｃａｎ總線結(jié)構(gòu)、與ｃｐｕ 的接口及初始化配置，同時(shí)將給出基于ｃ８０５１ｆ０４０的分布式測(cè)控節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)及系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)框架。 ２ ｃ８０５１ｆ０４０及其內(nèi)部ｂｏｔｓｈ ｃａｎ ｃｙｇｎａｌ公司的單片機(jī)ｃ８０５１ｆ０４０具有與８０５１指令集完全兼容的ｃｉｐ－５１內(nèi)核。它的最高頻率可達(dá)２５ｍｈｚ內(nèi)置６４ｋｂ ｆｌａｓｈ ｒａｍ和４ｋｂ的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。ｃ８０５１ｆ０４０在一個(gè)芯片內(nèi)集成了構(gòu)成單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其它功能部件，包括ａｄｃ、可編程增益放大器、ｄａｃ、電壓比較器、溫度傳感器、ｓｍｂｕｓ／ｉ２ｃ、ｕａｒｔ、ｓｐｉ、定時(shí)器、內(nèi)部振蕩器、看門狗電路以及ｃａｎ 控制器等，這種高度集成為設(shè)計(jì)小體積、低功耗、高可靠和高性能的測(cè)控系統(tǒng)提供了方便，同時(shí)也使測(cè)控設(shè)備整體成本能夠降低。 ｃ８０５１ｆ０４０內(nèi)部集成有ｂｏｔｓｈ ｃａｎ，它兼容ｃａｎ技術(shù)規(guī)范２．０ａ和２．０ｂ，主要由ｃａｎ內(nèi)核、消息ｒａｍ（獨(dú)立于ｃｉｐ－５１的ｒａｍ）、消息處理單元和控制寄存器組成，圖１所示是ｃ８０５１ｆ０４０內(nèi)部的ｃａｎ總線結(jié)構(gòu)圖。
圖１中，ｃａｎ內(nèi)核由ｃａｎ協(xié)議控制器和負(fù)責(zé)消息收發(fā)的串行／并行轉(zhuǎn)換ｒｘ／ｔｘ移位寄存器組成。消息ｒａｍ用于存儲(chǔ)消息目標(biāo)和每個(gè)目標(biāo)的仲裁掩碼。這種ｃａｎ處理器有３２個(gè)隨意配置為發(fā)送和接受的消息目標(biāo)并且每一個(gè)消息目標(biāo)都有它自己的識(shí)別掩碼，所有的數(shù)據(jù)傳輸和接收濾波都是由ｃａｎ控制器完成的，而不是由ｃｉｐ－５１來(lái)完成。 ｃａｎ內(nèi)部寄存器中存儲(chǔ)了所有ｃａｎ的控制和配置信息，其中包括控制寄存器、狀態(tài)寄存器、設(shè)置波特率的位定時(shí)寄存器 、測(cè)試寄存器、錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器和消息接口寄存器。通常ｃａｎ內(nèi)核不能直接訪問(wèn)消息ｒａｍ，而必須通過(guò)接口寄存器ｉｆ１或ｉｆ２來(lái)訪問(wèn)。另外，ｃｉｐ－５１的ｓｆｒ并不能直接訪問(wèn)ｃａｎ內(nèi)部寄存器的所有單元，其配置ｃａｎ、消息目標(biāo)、讀�。悖幔顮顟B(tài)以及獲取接收數(shù)據(jù)、傳遞發(fā)送數(shù)據(jù)都由ｓｆｒ中的６個(gè)特殊寄存器來(lái)完成，其中ｃａｎ０ｃｎ、ｃａｎ０ｔｓｔ和ｃａｎ０ｓｔａ ３個(gè)寄存器可直接獲取或修改ｃａｎ 控制器中對(duì)應(yīng)的寄存器，而ｃａｎ０ｄａｔｈ、ｃａｎ０ｄａｔｌ、ｃａｎ０ａｄｒ ３個(gè)寄存器主要用來(lái)訪問(wèn)修改其它不能直接訪問(wèn)的ｃａｎ 內(nèi)部寄存器，其中ｃａｎ０ａｄｒ用來(lái)指出要訪問(wèn)寄存器的地址，ｃａｎ０ｄａｔｈ、ｃａｎ０ｄａｔｌ這時(shí)就相當(dāng)于要訪問(wèn)的１６位寄存器的高、低字節(jié)的映射寄存器，而對(duì)它們的讀寫則相當(dāng)于對(duì)所指向寄存器的讀寫。圖２給出了ｃｉｐ－５１如何訪問(wèn)ｃａｎ中控制寄存器和每個(gè)消息的路徑圖。 消息處理單元用于根據(jù)寄存器中的信息來(lái)控制ｃａｎ內(nèi)核中移位寄存器和消息ｒａｍ 之間的數(shù)據(jù)傳遞，同時(shí)，它還可用來(lái)管理中斷的產(chǎn)生。
３ 基于ｃ８０５１ｆ０４０的智能系統(tǒng)設(shè)計(jì) ３．１ 硬件設(shè)計(jì) 工業(yè)測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)通常存在著大量的傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電子控制單元，它們一般分布較廣，而且對(duì)實(shí)時(shí)性要求也很高，圖３是基于ｃａｎ總線的分布式測(cè)控系統(tǒng)框圖。該系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線式集散系統(tǒng)ｆｄｃｓｆｉｅｌｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ結(jié)構(gòu)，它由主控站（注：ｃａｎ總線各節(jié)點(diǎn)并不分主從 這里是針對(duì)特定的系統(tǒng)而言）、ｃ８０５１ｆ０４０為ｍｃｕ的智能節(jié)點(diǎn)并配以ｃａｎ現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。主控站主要完成對(duì)各節(jié)點(diǎn)的在線監(jiān)控以及對(duì)各節(jié)點(diǎn)返回信息的分析處理，并對(duì)節(jié)點(diǎn)發(fā)出控制命令以控制節(jié)點(diǎn)工作模式。智能節(jié)點(diǎn)則根據(jù)主控站命令來(lái)完成數(shù)據(jù)采集、運(yùn)行顯示以及對(duì)執(zhí)行部件的控制，以及各節(jié)點(diǎn)與主站、節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換和信息控制。 圖４是一個(gè)以ｃ８０５１ｆ０４０為核心的智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原理圖。 圖中，ｃ８０５１ｆ０４０的６、７腳分別為ｃａｎｒｘ和ｃａｎｔｘ引腳，ｃａｎ的輸出輸入必須加總線收發(fā)器才能與ｃａｎ物理總線相連。本系統(tǒng)采用了ｔｊａ１０５０高速ｃａｎ收發(fā)器來(lái)替代傳統(tǒng)的ｐｃａ８２ｃ２５０收發(fā)器，ｔｊａ１０５０芯片具有電磁輻射低、防短路、不上電時(shí)對(duì)總線無(wú)影響等特點(diǎn)，它的８腳ｓ可以選擇高速或靜音兩種模式，并可由ｃ８０５１ｆ０４０的ｐ４．０控制。為了增加ｃａｎ 節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，將ｃａｎ引腳通過(guò)高速光耦６ｎ１３７與總線收發(fā)器相連，可實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間的電氣隔離。電源的隔離可以采用小功率電源隔離模塊，也可以用帶多個(gè)５ｖ隔離輸出的開關(guān)電源模塊。這樣能大大提高節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和可靠性，但可能會(huì)增加節(jié)點(diǎn)的硬件復(fù)雜性。 ３．２ 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì) 對(duì)于一個(gè)實(shí)際的測(cè)控系統(tǒng)，其節(jié)點(diǎn)軟件是比較復(fù)雜的，但由于ｃ８０５１ｆ０４０具有與８０５１指令完全兼容的ｃｉｐ－５１內(nèi)核，所以，對(duì)于有使用５１系列單片機(jī)經(jīng)驗(yàn)的人來(lái)說(shuō)，這并沒(méi)有太大的難度，下面主要介紹ｃ８０５１ｆ０４０內(nèi)置ｃａｎ的軟件設(shè)計(jì)。 如果需要某一節(jié)點(diǎn)將ａ／ｄ采樣值通過(guò)ｃａｎ總線送到主控站（地址０１ｈ），且配置系統(tǒng)時(shí)設(shè)定的工作頻率為２５ｍｈｚｃａｎｔｘ引腳設(shè)為推挽方式，那么在初始化過(guò)程中，波特率應(yīng)配置為１６０ｋｂｐｓ，消息目標(biāo)禁止不用，配置消息目標(biāo)２為接收時(shí)的程序代碼如下： ｃａｎ_ｉｎｉｔ： ｍｏｖ ｓｆｒｐａｇｅ，＃０１ｈ ｏｒｌ ｃａｎ０ｃｎ，＃４１ｈ ；設(shè)ｉｎｉｔ位為１， ｃｃｅ為１ ； 配置波特率 ｍｏｖ ｃａｎ０ａｄｒ，＃０３ｈ ｍｏｖ ｃａｎ０ｄａｔｈ，＃７ｆｈ ｍｏｖ ｃａｎ０ｄａｔｌ，＃０５ｈ ；禁止不用的消息目標(biāo)（３－３２） ｍｏｖ ｃａｎ０ａｄｒ， ＃０ｄｈ ； 指向ｉｆ１的仲裁控制寄存器２ ｍｏｖ ｃａｎ０ｄａｔｈ，＃００ｈ ； ｍａｇｖａｌ＝０； ｍｏｖ ｃａｎ０ａｄｒ，＃０９ｈ ； 指向ｉｆ１的命令掩碼寄存器 ｍｏｖ ｃａｎ０ｄａｔｌ，＃０ａ０ｈ ； 方向?yàn)閷�，改變仲裁�?/P> ｍｏｖ ｒ１，＃２０ｈ ｍｏｖ ｃａｎ０ａｄｒ， ＃０８ｈ ；指向ｉｆ１的命令寄存器 ｅｎａｂｌｅ_ｍｅｓｓａｇｅ_ｏｂｊｅｃｔｓ： ｍｏｖ ｃａｎ０ｄａｔｌ，ｒ１ ；寫ｒ１指向的消息目標(biāo) ｍｏｖ ｃａｎ０ａｄｒ， ＃０８ｈ ；指向ｉｆ１的命令寄存器 ｗａｉｔ_ｔｒａｎｓｆｅｒ_ｏｖｅｒ ｍｏｖ ａ，ｃａｎ０ｄａｔｈ ；讀命令寄存器 ｊｂ ａｃｃ．７，ｗａｉｔ_ｔｒａｎｓｆｅｒ_ｏｖｅｒ ｄｅｃ ｒ１ ｃｊｎｅ ｒ１，＃０２ｈ，ｅｎａｂｌｅ_ｍｅｓｓａｇｅ_ｂｊｅｃｔｓ ；配置消息目標(biāo)２為接收 ｍｏｖ ｃａｎ０ａｄｒ，＃２１ｈ ｍｏｖ ｃａｎ０ｄａｔｌ，＃１１１１１０００ｂ； 寫ｉｆ２命令掩碼 ｍｏｖ ｃａｎ０ｄａｔｈ，＃００ｈ ｍｏｖ ｃａｎ０ｄａｔｌ，＃００ｈ ；寫ｉｆ２掩碼１ ｍｏｖ ｃａｎ０ｄａｔｈ，＃００ｈ ｍｏｖ ｃａｎ０ｄａｔｌ，＃００ｈ ； 寫ｉｆ２掩碼２ ｍｏｖ ｃａｎ０ｄａｔｌ，＃００ｈ ； 寫ｉｆ２仲裁寄存器１ ｍｏｖ ｃａｎ０ｄａｔｈ，＃８０ｈ ； 寫ｉｆ２仲裁寄存器２高８位 消息目標(biāo)有效，標(biāo)準(zhǔn)仲裁幀，方向?yàn)榻邮?/P> ｍｏｖ ｃａｎ０ｄａｔｌ，＃００ｈ ； 寫ｉｆ２仲裁寄存器２低８位 ｍｏｖ ｃａｎ０ｄａｔｈ，＃０００１０１００ｂ； 寫ｉｆ２控制寄存器高位 ｍｏｖ ｃａｎ０ｄａｔｌ，＃８０ｈ ； 寫ｉｆ２控制寄存器低位 ｍｏｖ ｃａｎ０ａｄｒ， ＃２０ｈ ｍｏｖ ｃａｎ０ｄａｔｌ， ＃０２ｈ ； 通過(guò)ｉｆ２寫２號(hào)消息目標(biāo) ｗａｉｔ_ｔｒａｎｓｆｅｒ_ｏｖｅｒ１； ｍｏｖ ａ，ｃａｎ０ｄａｔｈ ； 讀命令寄存器 ｊｂ ａｃｃ．７，ｗａｉｔ_ｔｒａｎｓｆｅｒ_ｏｖｅｒ１ ; 等待寫結(jié)束 ;ｃａｎ進(jìn)入操作模式 ｍｏｖ ｃａｎ０ｃｎ,＃００００００１０ｂ ； ｃａｎ進(jìn)入正常操作模式狀態(tài)中斷使能， ｒｅｔ 發(fā)送過(guò)程是將存儲(chǔ)在從ｂｕｆ０起始地址中的２個(gè)字節(jié)的ａ／ｄ采樣數(shù)據(jù)，通過(guò)ｉｆ１傳送到消息目標(biāo)１的過(guò)程。其啟動(dòng)發(fā)送程序代碼如下： ｓｅｎｄ_ａｄ_ｄａｔａ： ｍｏｖ ｓｆｒｐａｇｅ， ＃０１ｈ ｍｏｖ ｃａｎ０ａｄｒ， ＃０９ｈ ｍｏｖ ｃａｎ０ｄａｔｌ，＃１０１１０１１１ｂ ； 寫ｉｆ１命令掩碼寄存器 ｍｏｖ ｃａｎ０ａｄｒ， ＃０ｄｈ ｍｏｖ ｃａｎ０ｄａｔｈ，＃１０１０００００ｂ ；使用１１位標(biāo)準(zhǔn)仲幀
ｍｏｖ ｃａｎ０ｄａｔｌ，＃０４ｈ ；寫ｉｆ１仲裁寄存器２，發(fā)送對(duì)象的地址０１因標(biāo)準(zhǔn)幀使用高１１位，所以地址要左移２位指向控制寄存器 ｍｏｖ ｃａｎ０ｄａｔｈ，＃００００１００１ｂ ； 寫ｉｆ１控制寄存器高８位，傳輸中斷使能，置傳輸請(qǐng)求位 ｍｏｖ ｃａｎ０ｄａｔｌ，＃０ｂｈ ； 寫ｉｆ１控制寄存器低８ 位，ｅｏｂ＝１ ｄｌｃ＝０指向ｂｕｆ０ ｍｏｖ ｄｐｔｒ，ｂｕｆ０ ｍｏｖｘ ａ，＠ｄｐｔｒ ｍｏｖ ｃａｎ０ｄａｔｌ，ａ ； 寫ｉｆ１數(shù)據(jù)０ ｉｎｃ ｄｐｔｒ ｍｏｖｘ ａ，＠ｄｐｔｒ ｍｏｖ ｃａｎ０ａｄｒ，＃０ｆｈ ｍｏｖ ｃａｎ０ｄａｔｈ，ａ ； 寫ｉｆ１數(shù)據(jù)１ ｍｏｖ ｃａｎ０ａｄｒ， ＃０８ｈ ｍｏｖ ｃａｎ０ｄａｔｌ，＃０１ｈ ；傳遞到目標(biāo)１及啟動(dòng)發(fā)送 ｒｅｔ
４ 結(jié)束語(yǔ) ｃｙｇｎａｌ公司的單片機(jī)ｃ８０５１ｆ０４０是一種完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片(ｓｏｃ)，它具有與８０５１指令集完全兼容的ｃｉｐ－５１內(nèi)核代表了８位單片機(jī)的發(fā)展方向。它不僅集成有構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)常用的外設(shè)，而且集成了逐漸成為控制領(lǐng)域首選的高可靠性、高性能ｃ８０５１ｆ０４０ ｃａｎ總線;本文使用該芯片設(shè)計(jì)的測(cè)控系統(tǒng)智能節(jié)點(diǎn)具有集成度高、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。由于ｃ８０５１ｆ０４０可達(dá)到２５ｍｈｚ工作頻率，因而可提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。此外，由于ｂｏｔｓｃｈ ｃａｎ內(nèi)有３２個(gè)自帶掩碼消息目標(biāo)的特殊設(shè)計(jì)，因此，用其進(jìn)行分布式在線測(cè)控系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)之間的相互數(shù)據(jù)傳遞設(shè)計(jì)將更為簡(jiǎn)單。 |
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