CAN總線在智能儀表中的應用研究

孔祥斌 鄭賓 李向楠

【摘要】本文詳細介紹了儀表的CAN總線通信的實現過程，對MSP430FG4618單片機、CAN控制器SJA1000、以及CAN收發器82C250進行了探究，并以它為處理器進行硬件設計，使CAN總線的通訊更加直觀。本文在分析論述了現場總線技術的有關性能特點及CAN協議規范后，完成了CAN通信卡的電路設計;在軟件上實現了PC機通過CAN通信卡對CAN現場總線儀表實現遠程管理等功能。

【關鍵詞】CAN總線;智能儀表;SJA1000;數據記錄儀

1.引言

CAN現場總線技術是一個控制技術新時代的開端，現場總線控制系統采用雙線制、多回路的全數字化信息傳輸，不僅提高了整個系統的可靠性和抗干擾能力，同時也可以大大節省控制系統的投資、安裝及后期的維護費用。現場設備的智能化及可互連和互操作性，有助于CAN現場總線控制系統進一步向分散化、智能化、網絡化方向發展。開展CAN總線在智能儀表系統中的應用的課題研究，具有重要的學術價值和實際意義。本設計在硬件上采用了單片機MSP430FG4618作為儀表的CAN總線的控制核心，成功地運用了CAN收發器82C250連接CAN總線，使儀表具有通訊的功能。

本設計采用微處理器作為儀表的核心，設計出的數據記錄系統，能完成數據記錄的功能和實時數據的轉存等功能。此外，儀表采用目前較為流行的CAN總線接口來實現通訊功能，使得儀表的性能得到提高。本設計在硬件上采用了單片機MSP430FG4618作為儀表的CAN總線的控制核心，成功地運用了CAN收發器82C250連接CAN總線，使儀表具有通訊的功能。研究的內容包括儀表的硬件電路設計，軟件設計和上位機（PC）能實時地顯示數據等多方面的研究，為實際CAN總線在智能儀表中的應用提供了多種解決方案和實例，可供在真正的實際應用中進行選擇使用[1，2，3，4]。

2.CAN總線的體系結構

CAN總線是開放系統，但沒有嚴格遵循國際標準化組織工SO的開放系統互連的七層參考模型OSI，處于對實時性和降低成本等因素的考慮，CAN總線只采用了其中最關鍵的三層，即物理層，數據鏈路層和應用層，其中數據鏈路層又進一步分為邏輯鏈路控制子層LLC和媒體訪問控制子層MAC，而應用層則包含了ISO/OSI模型中物理層和數據鏈路層外其余各層的功能。CAN總線的體系結構如圖2.1所示。

圖2.1 CAN總線的體系結構

3.系統硬件設計

本文所述系統是一個典型的CAN總線在智能儀表應用系統，針對CAN總線在智能儀表系統中的應用進行了多方面的研究，除利用SJA1000構成CAN總線的控制系統外，對MSP430的通訊、FLASH的讀寫、日期和時間的獲取等都進行了成功的的實踐，完成了實際硬件電路的設計和軟件編程，為實際CAN總線在智能儀表中的應用提供了多種解決方案和實例，可供在真正的實際應用中進行選擇使用。總的電路框圖如圖3.1所示。

圖3.1 總電路框圖

3.1 MSP430FG4618單片機外圍電路

MSP430系列單片機是一個16位的單片機，采用了精簡指令集（RISC）結構，具有豐富的尋址方式（7種源操作數尋址、4種目的操作數尋址）、簡潔的27條內核指令以及大量的模擬指令;大量的寄存器以及片內數據存儲器都可參加多種運算;還有高效的查表處理指令;有較高的處理速度，在8MHz晶體驅動下指令周期為125ns，這些特點保證了可編制出高效率的源程序。

圖3.2 單片機外圍電路

3.2 CAN控制器SJA1000

SJA1000是一種CAN獨立控制器用于移動目標和一般工業環境中的區域網絡控制。它是PHILIPS半導體PCA82C200 CAN控制器（BasicCAN）的替代產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協議。SJA1000是一種I/O設備基于內存編址的微控制器。雙設備的獨立操作是通過像RAM一樣的片內寄存器修正來實現的。

圖3.3 CAN總線控制器SJA1000部分原理圖

SJA1000的地址區包括控制段和信息緩沖區。控制段在初始化載入是可被編程來配置通訊參數的（例如，位時序）。微控制器也是通過這個段來控制CAN總線上的通訊。在初始化時CLKOUT信號可以被微控制器編程指定一個值。微控制器和SJA1000之間狀態、控制和命令信號的交換都是在控制段中完成的。初始載入后，寄存器的驗收代碼、驗收屏蔽、總線定時寄存器0和1以及輸出控制就不能改變了。只有控制寄存器的復位位被置高時，才可以訪問這些寄存器[5]。

4.軟件設計

本系統軟件設計實現的功能是：通過SJA1000接收CAN總線其他節點傳來得數據，將數據存到SJA1000的FIFO中，單片機MSP430把FIFO中的數據存到內存中。當內存中存儲了500個字節數據后，MSP430把這些數據寫入FLASH的一頁中長期存儲。當接入U盤時，MSP430能夠自動判斷出U盤已經接入，然后從FLASH中讀出數據到內存，再將內存緩沖區中的數據寫入U盤內。另外，系統裝有時鐘芯片DS1302，可以隨時獲取時間信息。軟件設計中將接收數據的日期和時間與數據一起作為一個數據塊寫入FLASH或存入U盤中[6，7]。單片機MSP430的USART單元也可以把數據通過串口傳給PC機。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.系統組合與測試

本設計中利用CAN總線通訊卡KPCI-8110通過CAN總線向記錄儀發送數據，此卡由北京科瑞興業科技有限公司制作，采用光電隔離技術，適用于各種工控機、兼容機（PCI總線）的長距離傳輸，傳輸速率高。CAN總線通訊卡KPCI-8110如圖5.1所示。

測試界面如圖5.2所示。

圖5.2 用戶界面

該程序的主要功能是對數據進行解碼和顯示。首先將存入U盤的數據文件拷貝到PC機上，此文件是.dat格式，需要對此文件進行解碼，把它變為.txt格式。用戶可以點擊“打開”按鈕添加要解碼的.dat文件，然后點擊“解碼”按鈕就可以將其轉換為.txt文件。最后，再點擊“顯示”按鈕就能夠把.txt文件顯示在用戶界面的list control中。程序可以區分出數據的各部分信息，按照序號、時間標識、幀格式、幀類型、幀ID和數據的格式，將數據顯示出來，方便用戶進行分析[8，9]。

6.結束語

本文中給出了部分硬件原理圖、實物圖以及軟件的流程圖。此系統具有燒寫簡單，調試方便，抗干擾能力強等特點。且具備遠程控制、數據存儲、顯示和傳輸的功能。此系統已在實驗室通過測試，系統運行穩定、可靠。

參考文獻

[1]鄭琪.CAN總線智能采集卡的設計與實現[D].碩士學位論文：西安科技大學，2009.

[2]何立民編著.單片機應用系統設計[M].北京航空航天大學出版，2003.

[3]朱飛.基于CAN總線的智能溫度傳感器設計[D].碩士學位論文：電子科技大學，2008.

[4]向科.CAN總線在智能儀器中的研究與應用[D].碩士學位論文：貴州大學，2007.

[5]Stand-alone CAN controller.PHILIPS，2000.

[6]馬忠梅.MSP430單片機C語言編程寶典[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.

[7]譚浩強.C程序設計（第二版）[M].北京：清華大學出版社，2001，3.

[8]龔建偉編著.Visual C++串口通信編程實踐[M].北京：電子工業出版社，2004.

[9]李朝青.PC機及單片機數據通信技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

作者簡介：孔祥斌（1987—），男，山東滕州人，中北大學碩士研究生在讀，主要研究方向：動態計量測試技術。