基于微机C8051F040的CAN总线智能节点设计

杨鹏飞

山东沂水县供电公司 山东 沂水 276400

0 引言

现场总线是用做现场控制系统的、直接与所有受控（设备）节点相连的，全数字化、双向、多站点的串行通信网络。控制器局域网CAN（Controller Area Network）是现场总线的一种，是在1986年的SAE（汽车工程人员协会）大会上由Rober Bosch公司提出的。CAN是一个多主总线网络，可实现全分布式多机系统，网络各节点均可在任意时刻向其他节点发送信息，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤；直接通信距离最远可达10km（速率5kbps以下），通信速率最高可达1Mbps（距离不大于40m）；网络节点数可达110个；在报文标识符上，CAN上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，优先级高的数据最多可在134us内得到传输；通过对报文标识符的滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播发送接受数据；采用非破坏总线仲裁技术，当两个节点同时向网上发送信息时，优先级低的节点主动停止发送数据；支持4种报文帧即数据帧、远程帧、出错帧、超载帧，采用短帧结构，传送时间短、受干扰概率低；采用CRC校验及其他校验措施，保证了极低的信息出错率；具有自动关闭功能，当节点错误严重时，自动切断与总线的联系，不影响系统的工作。

CAN总线系统中共有两种类型的节点：不带微控制器的非智能节点和带微控制器的智能节点。智能节点的设计也可划分为两种类型：1）微控制器外加CAN总线控制器方式，此方式的主要特点是系统构建灵活，微控制器的选型随意，可选8位、16位也可选32位控制器，即可选常用的也可选新推出的，目前国内常用的CAN总线控制器主要是SJA1000；2）内嵌有CAN总线控制器的微控制器，此方式的主要特点是系统稳定，抗干扰能力强，缺点是系统灵活性差，目前国内常见的有P8Xc591、TMS240xDSP等。

本文将介绍利用美国Cygnal集成产品公司新推出的带CAN总线控制器的高速、高性能混合信号处理微机C8051F040实现的CAN总线智能节点软硬件设计。

1 C8051F040及其CAN总线控制器C_CAN

1.1 C8051F040简介

C8051Fxxx系列微机是集成在一块芯片上的混合信号系统级微机，其内核是与MCS－51指令集完全兼容的、采用流水线结构的CIP－51微控制器内核，在最大系统时钟频率25MHz时其峰值速度可达25MIPS。以下是C8051F040微机片上资源及其特点：

①1个12 Bit 100ksps、8通道带片内温度传感器、可编程增益放大器的ADC，1个8 Bit 500 ksps带可编程增益放大器的ADC，2个可程控更新的12 Bit DAC；

②具有6个捕捉/比较模块的可编程计数/定时器阵列；

③4352 Bytes片内RAM，64KB在系统可编程FLASH存储器，可外扩64KB的存储器接口；

④耐5V电压的64位数字I/O；

⑤20个中断源；

⑥Bosh CAN、SMBusTM、SPITM、2个UART；

⑦5个通用16Bit定时器/计数器，片内看门狗定时器、VDD监视器；

⑧供电电源2.7V～3.6V；

⑨支持非侵入式、全速、在系统调试和边界扫描功能。

可以说C8051F040微机是真正的、可单独工作的、完整的SoC（System on Chip）。片上所有的数字和模拟外设与交叉开关相连，完全由用户设置。片内JTAG调试系统支持观察和修改存储器和寄存器、支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。

1.2 CAN总线控制器C_CAN

C8051F040片内集成的CAN总线控制器是Bosh CAN控制器，支持CAN协议CAN 2.0A和CAN 2.0B。C_CAN由CAN核心模块、报文RAM（Message RAM）、报文句柄状态机和控制寄存器组成。C8051F040片内没有CAN总线驱动器。其结构如图1所示：

图1 CAN控制器

C_CAN的特点如下：

1）支持CAN协议CAN 2.0 A和CAN 2.0B；

2）位速率可达1 MBit/s；

3）可存储32条报文；

4）可编程的FIFO模式；

5）可编程的自检操作和回环模式；

6）可程控的自动重发功能；

CAN控制器的工作是在一系列的寄存器的控制下进行的，其工作状态也由相关寄存器来反映。控制寄存器， 如CAN0CN、CAN0STA、CAN0TST等，用来配置CAN控制器，产生中断，监视总线状态等；报文句柄寄存器是只读的，它负责向处理器提供报文的相关信息，如报文有效性、发送请求、中断状态等；报文单元接口寄存器用来配置RAM中的报文单元，并与RAM中的报文单元和处理器交换数据，它们避免了处理器直接读RAM单元时，RAM还要发送或接受数据所导致的冲突，起到了缓冲作用。C8051F040中的CAN控制器是作为外设的，它的寄存 器 除 了 CAN0CN、CAN0STA、CAN0TST 都 不 是SFR。对它们的访问要通过SFR：CAN0ADR、CAN0DATH、CAN0DATL。CAN0ADDR写入要访问的寄存器的偏移量，CAN0DATL（或加CAN0DATH组成16位二进制数）与待访问的寄存器进行数据交换。

2 硬件设计

由于C8051F040片内没有CAN驱动器，笔者选择了TEXAS公司与C8051F040供电电压一致的3.3V的CAN驱动器SN65HVD230。SN65HVD230具有速度高达1Mbps的差分发送、差分接收能力，提供三种工作模式：高速、低电流待机、斜率控制。自身具有短路保护、失地保护、过压保护和过热保护。常态下工作电压是－2V～7V，瞬时耐压范围是－25V～25V。SN65HVD230的第8脚经10K电阻与P15相联可以选择SN65HVD230的工作模式，P15置0时选择高速工作模式，P15置1时选择低电流待机模式。SN65HVD230与CAN总线的接口部分采用了一定的安全和抗干扰措施。与CANH、CANL串连的5Ω电阻可起到一定的限流作用；并联在CANH、CANL和地之间的32pF的小电容，可以起到滤出总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力；在CAN总线的输入端与地之间所接的防雷击管，可以通过它们的放电起到消除CAN总线输入端和地之间的瞬变干扰作用。C8051Fxxx系列微机的JTAG接口的PCB封装是IDC10。按照C8051F040技术资料，在晶振的两端并联了10MΩ的电阻。如上所述，由于C8051Fxxx系列微机具有丰富的片内资源，基本上满足了传统微机测控系统的需要，扩展的要求小。基于此类微机的测控系统，体积轻巧，性能稳定，抗干扰能力强。图2是CAN总线原理图。

图2 CAN总线原理图

3 软件设计

系统软件是在Cygnal公司提供的开发环境Cynal IDE 1.72下利用C语言开发的。Cynal IDE以标准的Windows作为界面，支持C语言和汇编语言的源程序级调试。IDE在硬件上使用PC的串行口与具有JTAG的C8051F040微机目标系统相连的支持下，可进行非插入式、全速地在线调试和在系统编程，不需要另外的目标RAM、程序存储器或占用其他的通信信道即可实现程序调试。

在C_CAN中，报文的控制由报文接口寄存器（Message Interface Register）来管理。 C_CAN的一条数据帧最多可发送8Bytes的数据，对于整块大批量的数据接收就需要使用缓冲（FIFO Buffer）。在此写出了读取FIFO缓冲区的流程图和利用SFR配置一个发送报文单元的例程。

图3 C_CAN FIFO缓冲区的读取图

以下是配置发送报文单元的例程：

4 结束语

目前，传统微机由于速度低、功耗高、功能少，越来越受到冷落。以C8051Fxxx为代表的新一代微机采用了一系列的新技术，功耗低，性能稳定，处理速度也较大幅度提高，片内集成的外设越来越多，已逐步开始取代以往微机。本文提出的包括CAN总线在内的基于C8051F040微机数据测控系统工作稳定可靠，达到了技术指标要求，而且此系统具有很强的扩展能力。

［1］饶运涛等.现场总线CAN原理与应用技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2003.

［2］李刚，林凌.与8051兼容的高性能、高速微机－C805Fxxx［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2002.

［3］USA：CYGNAL Integrated Products.Inc.,DS005_0.9APR02.,2002.

［4］USA：Robert Bosch GmbH,C_CAN User’s Manual Revision 1.2,2000.