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1、基于单片机和CAN总线的企业现场信息监控系统 智能节点部分摘 要本文设计了一种基于单片机和CAN总线的企业现场信息监控系统。系统从整体结构上分为三个部分，企业网络层、工程师站部分和智能节点部分。本文设计着重介绍了CAN通信控制芯片SJA1000与ATMega8L单片机接口构成的CAN总线系统智能节点部分。其硬件电路主要由4部分组成：单片机、CAN控制器、CAN总线收发器以及光电隔离器。主要功能是各智能节点采集现场仪表设备的过程参数，将数据经CAN总线发送到上位机，进而实现对企业生产现场信息的实时采集与实时监控。本文首先介绍了企业现场信息监控系统的组成以及CAN现场总线；其次对现场信息检测的实现
2、及单片机最小系统的各个接口电路作了简要介绍；然后对CAN通信模块的核心器件CAN总线控制器SJA1000和收发器PCA82C251作了详细的介绍；最后对系统的软件设计和系统调试进行了说明分析。 关键词：ATMega8L；CAN总线；智能节点；SJA1000The monitoring system of the field information of enterprise based on MCU and CAN bus Part of intelligent nodeAbstractIn this paper, a monitoring system of field informatio
3、n of enterprise based on MCU and CAN bus is designed. In general ,the structure of the system is divided into three parts, the enterprise network, the engineer station, the smart node. This article focuses on the design of the CAN bus communication with ATMega8L and SJA1000 consisting of the smart n
4、odes. The hardware have 4 major parts：microprocessor, CAN controller, CAN bus transceivers and optoelectronic isolator. The Main function of hardware is to capture the field information, the data will be sent to the MCU and engineer station,finally,MCU receives the orders and execute it.This paper i
5、ntroduces the field information monitoring system and CAN fieldbus, followed by the smallest single-chip microcomputer system of the various parts are briefly introduced; then the core of CAN communication module CAN bus controller SJA1000 device and the transceiver devices made PCA82C251 detail; Fi
6、nally, the system software design and system analysis of debugging are described;Key words：ATMega8L; CAN bus;Smart Node ; SJA1000 目 录摘 要IAbstractII第一章 引言11.1 企业现场信息监控系统概述11.2 CAN现场总线1第二章 系统整体方案设计及现场信息检测的实现42.1 系统整体结构设计42.2 系统整体设计方案的实现52.3 现场信息检测的实现62.3.1 温度检测电路设计72.3.2 湿度检测电路设计8第三章 单片机最小系统设计103.1 AT
7、Mega8L单片机简介103.2 LED显示接口技术133.3 报警电路设计163.4 按键电路设计16第四章 CAN通信模块设计184.1 CAN通信模块电路设计184.2 CAN通信控制器SJA1000194.2.1 SJA1000内部结构204.2.2 SJA1000的引脚介绍214.2.3 SJA1000的应用说明234.2.4 PeliCAN地址分配244.2.5 SJA1000寄存器264.3 CAN总线收发器PCA82C251334.3.1 PCA82C251功能说明344.3.2 PCA82C251引脚介绍344.3.3 PCA82C251的工作模式354.4 光耦6N137功
8、能特性37第五章 系统软件设计395.1 系统整体软件设计395.2 SJA1000初始化405.3 报文发送子程序415.4 报文接收子程序42第六章 系统调试与总结446.1 智能节点实物图446.2 系统调试456.2.1 数码管显示及报警功能调试456.2.2 CAN通信模块调试456.3 总结46参考文献47附录A智能节点原理图及PCB图48附录B智能节点源程序52致谢66第一章 引言1.1 企业现场信息监控系统概述随着计算机技术、网络通信技术等技术的快速发展，监控系统作为现代化管理手段越来越多地进入到各种应用领域。监控技术的发展经历了传统监控技术和现代智能网络监控技术两个阶段。传统
9、的监控系统一般都是闭路电视监控系统，采取模拟信号传输图像，通过监视器监视现场情况。其缺点是所有的信息都集中于监控中心，无扩展传输及控制能力。这种基于模拟信号的监控技术限制了传统监控系统的发展。智能网络监控系统则是利用计算机网络技术及多媒体信息处理技术实现的网络数字监控系统。监控的视频、报警、控制信号可传至网络上的每一个节点，可以利用计算机网络在不同的地点同时监控、控制远程的某些场所。本文设计的企业现场信息监控系统，是基于单片机和CAN总线来实现的，能实时地采集生产现场的信息，并进行整合处理，实现企业生产现场信息的实时收集与实时监控。系统采用多层分级的结构形式，总体设计从结构上分为三个部分，企业
10、网络层、工程师站部分和智能节点部分。系统的硬件和软件采用标准化、模块化和系统化设计，使系统具有通用性强，开放性好，系统组态灵活，控制功能完善，数据处理方便，人机界面友好，系统安装、调试和维修简单化，系统安全可靠等优势。1.2 CAN现场总线现场总线是一种用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。现场总线是当今自动化领域发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它作为工业数据通信网络的基础，沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更高控制管理层之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布式的控制系统。这项以智能传感、控制、计
11、算机、数据通信为主要内容的综合技术，已受到世界范围的关注而成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。在工业控制领域中，从20世纪50年代至今一直都在使用着一种信号标准，那就是420mA的模拟信号标准。20世纪70年代，数字式计算机引入到测控系统中，而此时的计算机集中式控制处理。20世纪80年代，微处理器在控制领域得到应用，微处理器被嵌入到各种仪器设备中，形成分布式控制系统。随着微电子技术的发展，微处理器和微控制器由于其性能的提高和价格的下降而在工业控制领域得到广泛运用。由于微处理器嵌入各种仪表和检测系统，导致智能化的趋势逐步向下渗透。这一形势与对工业控制系统的进一步要求
12、相结合，一种实现彻底分散的控制系统现场总线控制系统就应运而生。目前，世界上流行的几种现场总线有：LONWORKS、CAN、PROFIBUS、HART和FF等。其中CAN（Control Area Network）总线是德国Bosh公司从20世纪80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN总线是目前惟一一种具有国际标准的现场总线，在当今自动控制领域占有越来越重要的地位。由于其独特灵活的设计、高的位速率、高抗电磁干扰性、极高的可靠性和低廉的价格等卓越的性能，现已在工业控制、智能大厦、小区安防、交通
13、工具、医疗仪器、环境监控等众多领域推广应用。国际标准组织ISO为其制订了规范CAN总线的国际标准，已被公认为几种最有前途的现场总线之一，在当今自动控制领域的发展中将发挥出越来越重要的作用。CAN总线的技术特性如下：1.CAN总线可以多主方式工作，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动向其它节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活；2.CAN总线网络上节点可分成不同的优先级，可满足不同的实时要求；3.CAN总线采用非破坏性总线裁决技术，当两个节点同时向网络上传送数据时，优先级别低的自动地主动停止数据发送，而优先级别高的网络节点不受任何影响继续传送数据，大大节省了总线冲突裁决时间；4.CAN总线可以
14、点对点，一点对多点(成组)，全局广播几种方式传送接收数据；5.CAN总线直接通信距离最远可达10km，CAN总线的通信速率最高可达lMbit/s；6.CAN总线上的节点数实际可达110个，理论值可达2000多个；7.CAN总线采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，这样传输时间短，受干扰的概率低，重新发送时间短，尤其适合在强电磁场环境下工作；8.CAN总线每帧信息都有CRC校验及其它检验措施，保证了数据出错率极低；9.CAN节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线的其它操作不受影响；CAN总线采用多主竞争的工作方式和非破坏性总线仲裁技术，总线上任意节点可在任
15、意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，各节点之间实现自由通信。当多个节点同时向总线发信息时，优先级较低的节点会主动退出发送，而优先级较高的节点不受影响，大大节省了总线冲突仲裁时间。在网络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪的情况。CAN总线通信格式采用短帧格式，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。每帧中数据字节数最多为8个，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。第二章 系统整体方案设计及现场信息检测的实现2.1 系统整体结构设计本文设计的企业现场信息监控系统采用CAN总线来组成数据传输网络。系
16、统的整体设计从结构上分为三个部分，企业网络层，工程师站部分和智能节点部分。整体设计方案如图2.1所示。图2.1 基于单片机和CAN总线的企业现场信息监控系统结构框图2.2 系统整体设计方案的实现在工业控制中，通常需要对温度、湿度等信号进行实时采集、可靠传输和实时显示，实现了PC端对CAN智能节点的有效控制。为了达到工业控制上这些控制要求，CAN总线上的节点通常需要有微控制器作为节点的主控器。主控器完成现场各项参数的采集、响应相关的外部事件、接受外部按键命令、产生驱动信号、显示相关参数及与CAN总线控制器通信。图2.2为ATMega8L作为节点控制器的各个部件的连接方框图。图2.2 智能节点方框
17、图智能节点对现场信息的采集通过传感器来实现，其中一个为温度传感器，采集温度信号，另一个为湿度传感器，采集湿度信号。两个智能节点分别由单片机ATMega8L、按键电路、报警电路、LED显示、CAN控制器SJA1000、CAN总线收发器PCA82C251以及光电隔离器组成，具有现场数据采集、显示及CAN总线通信功能，可以与系统主机及其它CAN智能测控节点传送各种参数，并接收来自系统主机的命令和数据，用来调整和改变控制状态。CAN总线网络采用总线型拓扑结构，两个智能节点和上位机分别通过CAN接口连接到CAN总线网络上，通信电缆采用双绞线，双绞线的两头各接一个120的匹配电阻避免信号反射。上位机通过串
18、行口与CAN-232转接板连接，然后连接到CAN总线网络上；上位机软件采用LabVIEW编写，其功能是建立友好的人机交互界面，完成数据通信，并存入数据库，将数据以曲线、报表的形式显示出来，也可以调出历史数据进行显示。下位机可以通过按键来切换显示温度、湿度，当被测量超限时，可以进行声光报警，以引起操作人员的注意，且下位机采集的信息也可以上传到上位机，使上位机和下位机的参数同步。上位机还可以和企业网络进行信息传输，远程PC机通过IP地址登陆Internet网络以后，可以看到现场的模拟界面，里面有每一个现场仪表的实时参数，用户可以调看仪表的历史参数和事故记录，也可以在相应权限内对仪表发出指令进行操作
19、，调整运行参数。CAN总线收到指令信号后，对应的现场仪表依据指令进行相关动作。系统硬件电路通过单片机最小系统部分和CAN通信模块部分来实现。单片机最小系统中的ATMega8L微处理器使用了片内上电复位电路，用内部RC振荡器代替外部晶振。CAN通信部分选用了PCA82C251作为驱动器以增大通信距离。为了增强抗干扰能力，使用了高速光耦6N137作SJA1000和PCA82C251的隔离器件，实现光电隔离。在智能节点设计时，为了达到良好的隔离效果，6N137、PCA82C251和SJA1000选用2个完全隔离的电源供电；PCA82C251的CANH、CANL脚各通过一个5.1的电阻与CAN总线相连
20、，通过1个30pF左右的电容接地，电阻可以保护PCA82C251免受过流的冲击，接地电容可以起到滤波和防辐射的作用；PCA82C251的Rs脚上接一个斜率电阻，其阻值根据总线通信速率适当调整，一般在16140 k之间，本系统接了1个100 k的可调电阻，方便系统调试；总线两端分别接1个120的匹配电阻，提高抗干扰能力；SJA1000的TX1脚悬空，RX1引脚的电位必须维持在约0.5VCC以上，否则将不能形成CAN协议所要求的电平逻辑。2.3 现场信息检测的实现现场信息的检测通过温度传感器和湿度传感器来实现，分别选用的是AD590电流型集成温度传感器和湿敏电阻传感器。以下就温湿度检测电路设计作简
21、单介绍。2.3.1 温度检测电路设计1. AD590温度传感器特性设计中选用AD590电流型集成温度传感器，它输出电流与温度成比例，且是整个电路的电源电流，这个电流与施加在电路上的电源电压几乎无关。它只需单电源工作，抗干扰能力强，需求的功率很低(1.5mW/+5V/+25)。因是高阻抗电流输出（710M），所以导线上的电阻对器件工作影响不大。用绝缘良好的双绞线连接，可以使器件在距电源25m处正常工作。高输出阻抗又能极好地消除电源电压漂移和纹波的影响，电源由5V变到10V时，最大只有1A的电流变化，相当于的等效误差。还要指出的是，AD590能经受高至44V的正向电压和20V的反向电压，因而不规则
22、的电源变化或管脚反接也不会损坏器件。AD590的主要特征如下：线性电流输出：1A/K；测温范围宽：55150；二端器件：电压输入，电流输出；精度高：0.5(AD590M)；线性度好：在整个测温范围内非线性误差小于0.3(AD590M)；工作电压范围宽：430V；器件本身与外壳绝缘；成本低。2.温度检测电路在设计测量电路时，首先应将电流转换成电压，它的温度每升高1K，电流就增加1A 。当AD590的电流通过一个1k的电阻时，这个电阻上的压降为1mV，即转换成1mV/ K。当温度是0时，输出的电压是273.2mV。在测量室温中，当室温达到40输出的电压是313.2 mV。AD590温度检测电路如图
23、2.3所示。图2.3 AD590温度检测电路由图2.3可得出电压和温度的关系： （2-1）2.3.2 湿度检测电路设计1. 湿敏电阻传感器特性湿敏电阻传感器是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成的。湿敏电阻传感器根据使用湿敏材料的不同可分为高分子型和陶瓷型。MCT系列陶瓷材料湿敏电阻传感器的内部结构，在其两面设置着氧化钌电极与铂铱引线，并安装有辐射状用于加热清洗的加热装置。根据检测情况加热装置对湿敏元件进行加热清洗，对于湿敏陶瓷在500以上进行几秒钟的加热，从而清除陶瓷的污染，使其重现原来的性能。MCT系列陶瓷材料在温度200以下时的电阻值受温度影响较小，当温度在
24、200以上时呈现普通的热敏电阻特性。这样加热清洗的温度控制可利用湿敏陶瓷在高温时具有热敏电阻特性进行自动控制。由于传感器的基片与湿敏陶瓷容易受到污染，当电解质附着在基片上时，传感器端子间将产生电气泄漏，相当于并联一只泄漏电阻。为此，需要在基片上增设防护圈。2. 湿度检测电路设计设计中用的湿敏电阻的阻值与湿度的对应关系如表2.1所示。表2.1 湿度和阻值对应表湿度30%35%40%45%50%55%60%65%70%阻值16M5843K2041K262.5K250K87.48K30.61K29.40K3.74K湿敏电阻传感器模块把湿敏电阻和固定电阻串联构成分压电路将电阻变化转换成电压变化。模块中
25、的运放LM358实现两个功能，先用做电压跟随器，将输出的电压信号通过J1端输出，LM358又用做比较器，将室温对应的电压和设定报警电压相比较当室温高于设定值时比较器输出高电平LED灯被点亮。R12可以用于调节报警电压，J3端报警设定值的输出。可以通过计算得到设定的报警值。湿度检测电路设计如图2.4所示。图2.4 湿度检测电路图第三章 单片机最小系统设计单片机最小系统包括：单片机、LED显示电路、按键电路、蜂鸣器报警电路等。其硬件接口电路原理图如图3.1所示。 图3.1 单片机最小系统硬件接口电路原理图3.1 ATMega8L单片机简介ATMega8L是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位
26、CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATMega8L的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算术逻辑单元(ALU)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。ATMega8L有如下特点：8K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512字节EEPROM，1K字节SRAM，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C)，片内/外中
27、断，可编程串行USART，面向字节的两线串行接口，10位6路(8路为TQFP与MLF封装)ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及五种可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时CPU停止工作，而SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器与ADC以外所有I/O模块的工作，以降低ADC转换时的开关噪声；Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功
28、能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力。ATMega8L引脚图如图3.2所示。图3.2 ATMega8L引脚图ATMega8L引脚图功能表如表3.1所示。表3.1 ATMega8L引脚功能表引脚功能说明VCC数字电路的电源GND地端口B(PB7.PB0)XTAL1/XTAL2/TOSC1/TOSC2端口B为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B处于高阻状态。通过时钟选择熔丝位的设置，PB6可作为反向
29、振荡放大器或时钟操作电路的输入端。通过时钟选择熔丝位的设置PB7可作为反向振荡放大器的输出端。若将片内标定RC振荡器作为芯片时钟源，且ASSR寄存器的AS2位设置，PB7.6作为异步T/C2的TOSC2.1输入端。端口C(PC5.PC0)端口C为7位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C处于高阻状态。PC6/RESET若RSTDISBL熔丝位编程，PC6作为I/O引脚使用。注意PC6的电气特性与端口C的其他引脚不同。若RSTDIS
30、BL熔丝位未编程，PC6作为复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。端口D(PD7.PD0)端口D为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D处于高阻状态。/RESET复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。持续时间小于门限时间的脉冲不能保证可靠复位。AVccAVcc是A/D转换器、端口C (3.0)及ADC (7.6)的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与Vcc 连接。使用ADC时应
31、通过一个低通滤波器与Vcc连接。端口C (5.4)为数字电源Vcc。AREFA/D的模拟基准输入引脚。ADC7.6(TQFP与MLF封装)TQFP与MLF封装的ADC7.6作为A/D转换器的模拟输入。为模拟电源，且作为10位ADC通道。3.2 LED显示接口技术LED数码管是由发光二极管显示子段组成的显示器件。在单片机系统中通常使用的是七段LED显示器，这种显示器有共阴极和共阳极两种，如图3.3所示。共阴极LED数码管的发光二级管的阴极接地，如图3.3（a）所示，当发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮；共阳极LED数码管的阳极接+5V电源，如图3.3（b）所示。通常的七段LED显示器中有
32、8个发光二极管，一个发光二极管构成小数点（dp用来显示小数点），常用的七段LED显示器的管脚如图3.3（c）所示。a、b、c、d、e、f、g、dp称为LED显示器的段，公共端com称为LED显示器的位。从管脚adp输入不同的8位二进制数，可以显示不同的数字或字符。图3.3 七段LED数码管管脚与结构LED数码管的点亮方式有两种方式：静态方式和动态方式，相应的LED显示接口技术有两种：LED静态显示方式接口技术和动态显示方式接口技术。本设计采用的是LED静态显示方式接口技术，以下主要讨论LED静态显示方式接口技术。所谓静态显示，就是当数码管显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定地导通或截止。例如
33、七段显示器的f、e、d、c、b、a导通，dp、g截止，则显示0。这种显示方式中，每一位显示器都需要一个8位输出口控制，所以占用硬件多，一般用于数码管位数较少的场合。在不需要串行口通信的场合，利用串行口外加芯片74LS164就可方便地构成LED显示器驱动电路。以下就74LS164的特性作简单介绍。74LS164是八位移位寄存器，其特点为串行输入带锁存；时钟输入，串行输入带缓冲，异步清除，最高时钟频率可高达36Mhz。功耗：10mW/bit；Vcc最高电压：7V；输入最高电压：7V；最大输出驱动能力：高电平时0.4mA，低电平时8mA。引脚图如图3.4所示。 图3.4 74LS164引脚图其中为C
34、LOCK时钟输入端，CLEAR是同步清除输入端（低电平有效）A，B是串行数据输入端，QAQH是输出端。其引脚特性为当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（QAQH）均为低电平。串行数据输入端（A，B）可控制数据。当A、B任意一个为低电平，则禁止新数据输入，在时钟端（CLOCK）脉冲上升沿作用下Q0为低电平。当A、B有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在CLOCK上升沿作用下决定Q0的状态。图3.5为采用74LS164驱动的静态显示电路。 图3.5 LED静态显示电路图本电路使用串联输入、并联输出八位移位寄存器74LS164实现数据传送和LED的静态显示。待显示的显示码通过ATmega8
35、L的PD0逐位输出，送每一位时，伴随着由PD.1通过复位、置位的方式送出移位脉冲。74LS164在脉冲上升沿触发下，A、B端移入数据位，其它位则顺次同步右移，其输出端数据QAQH直接与LED的输入线连接，分别用于点亮（或熄灭）LED的a、b、c、d、e、f、g、dp段发光管。这样，待显数符的显示码从LED最右端到最左端的顺序，分别对应地依次送出。传送完毕，PD1停止输出脉冲，数据保持在74LS164的输出端，数符就静态地在各LED显示出来。值得指出的是，74LS164最高时钟频率在25MHZ以上。这可通过简短的指令，直接由单片机口线送出移位寄存器的工作时钟而不会引起时钟紊乱。3.3 报警电路设
36、计在控制系统中，为了安全生产，对于一些重要的参数或系统部位，都设有紧急状态报警系统，以便提醒操作人员注意，或采取紧急措施。其方法就是把系统采集的数据（温度、压力、流量、速度等信号）或经系统进行数据处理、数字滤波、标度变换之后，与该参数上、下限给定值进行比较；如果高于上限值（或低于下限值）则进行报警，否则就作为采样的正常值，进行显示和控制。报警电路如图3.6所示。图3.6 报警电路3.4 按键电路设计在单片机应用系统中，通常具有人机对话功能，能随时发出各种控制命令和数据输入以及报告应用系统的运行状态与运行结果。键盘可以分为独立连接式和矩阵式两类。本文中所设计的按键电路，主要是实现对温湿度显示的切
37、换，控制对象单一，所以采用独立式按键。独立式按键是指直接用I/O口线构成的单个按键电路，其接口电路配置灵活，软件结构简单。每个独立式按键单独占有一根I/O口线。每根I/O口线的工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态。独立式按键接口电路如图3.7所示。在此电路中，按键输入部采用低电平有效，上拉电阻保证了按键断开时，I/O线有确定的高电平。当I/O口内部有上拉电阻时，外电路可以不配置上拉电阻。图3.7 独立式按键接口电路第四章 CAN通信模块设计4.1 CAN通信模块电路设计本设计是基于SJA1000的CAN总线通信模块的设计，可以完成在CAN总线上的信息通信，总线传输来的信息通信模块负责接收后
38、，然后传输给单片机系统，单片机系统的指令则要通过此信息模块检验封装传送到CAN总线上。CAN通信模块硬件接口电路原理图如图4.1所示。ATmega8L单片机用普通的I/O口实现51系列单片机的/RD，/WR和ALE功能，用PB口作为SJA1000的8位地址数据总线，PD6作为SJA1000的选通脚，并使用了PCA82C251作为驱动器以增大通信距离。为了增强抗干扰能力，使用了高速光耦6N137作为SJA1000和PCA82C251的隔离器件，实现光电隔离。图4.1 CAN通信模块硬件接口电路原理图4.2 CAN通信控制器SJA1000SJA1000是一种独立的CAN控制器，用于汽车和一般的工业
39、环境中的局域网络控制。它是PHILIPS公司的PCA82C200CAN控制器（BacisCAN）的替代产品。而且，它增加了一种新的工作模式（PeilCAN），这种模式支持具有很多新特点的CAN2.0B协议，SJA1000具有如下特性。1和PCA82C200独立CAN控制器引脚和电气兼容。2具有PCA82C200模式（即默认的BasicCAN模式）。3扩展的接收缓冲器（64字节、先进先出FIFO）。4和CAN2.0B协议兼容（PCA82C200兼容CAN模式中的无源扩展帧）。5同时支持11位和29位标识符。6位速率可达1Mbit/s。7 PeliCAN模式扩展功能：可读/写访问的错误计数器。可编
40、程的错误报警限制。最近一次错误代码寄存器。对每一个CAN总线错误的中断。具有详细位号的仲裁丢失中断。单次发送（无重发）。只听模式（无确认、无激活的出错标志）。支持热插拔（软件位速率检测）。接收过滤器扩展（4B代码，4B屏蔽）。自身信息接收（自接收请求）。24MHz时钟频率。可以和不同微处理器接口。可编程的CAN输出驱动器配置。增强的温度范围（-40 +125摄氏度）4.2.1 SJA1000内部结构SJA1000的内部结构如图4.2所示。图4.2 SJA1000的内部结构方框图SJA1000 CAN控制器主要由以下几部分构成。1.接口管理逻辑（IML）接口管理逻辑解释来自CPU的命令，控制CA
41、N寄存器的寻址，向主控制器提供中断信息和状态信息。2.发送缓冲器（TXB）发送缓冲器是CPU和BSP（位流处理器）之间的接口，能够存储发送到CAN网络上的完整报文。缓冲器长13个字节，由CPU写入，BSP读出。3.接收缓冲器（RXB，RXFIFO）接收缓冲器是接收过滤器和CPU之间的接口，用来接收CAN总线上的报文，并储存接收到的报文。接收缓冲器（RXB，13B）作为接收FIFO(RXFIFO，64B)的一个窗口，可以被CPU访问。CPU在此FIFO的支持下，可以在处理报文的时候接收其他报文。4.接收过滤器(ACF)接收过滤器把它其中的数据和接收的标识符相比较，已决定是否接收报文。在纯粹的接收
42、测试中，所有的报文都保存在RXFIFO中。5.位流处理器（BSP）位流处理器是一个发送缓冲器、RXFIFO和CAN总线之间控制数据流的序列发生器。它还执行错误检测、仲裁、总线填充和错误处理。6.位时序逻辑（BTL）位时序逻辑监视串行CAN总线，并处理与总线有关的位定时。在报文开始，由隐性到显性的变换同步CAN总线上位流（硬同步），接收报文时再次同步下一次传送（软同步）。BTL还提供了可编程的时间段来补偿传播延迟时间、相位转换（例如，由于振荡漂移）和定义采样点和每一位的采样次数。7.错误管理逻辑(EML)EML负责传送层中调制器的错误界定。它接收BSP的出错报告，并将错误统计数字通知BSP和IM
43、L。4.2.2 SJA1000的引脚介绍SJA1000为28引脚DIP和SO封装，引脚如图4.3所示。引脚功能介绍如下。AD7AD0：地址/数据复用总线。 ALE/AS：ALE输入信号（Intel模式），AS输入信号（Motorola模式）。/CS：片选输入，低电平允许访问SJA1000。(/RD)/E：微控制器的/RD信号（Intel模式）或E使能信号（Motorola模式）。/WR：微控制器的/WR信号（Intel模式）或RD/(/WR)信号（Motorola模式）。 CLKOUT：SJA1000产生的提供给微控制器的时钟输出信号；时钟信号来源于内部振荡器且通过编程驱动；时钟控制寄存器的时
44、钟关闭位可禁止该引脚。VSS1：接地端。XTAL1：振荡器放大电路输入，外部 振荡信号由此输入。 XTAL2：振荡器放大电路输出，使用 外部振荡信号时，此引脚必须保持开路。 MODE：模式选择输入。1=Intel模式；0=Motorola模式。 VDD3：输出驱动的5V电压源。 TX0：从CAN输出驱动器0到 物理线路的输出端。 图4.3 SJA1000引脚图TX1：从CAN输出驱动器1到物理线路的输出端。 VSS3：输出驱动器接地端。/INT：中断输出，用于中断微控制器；/INT在内部中断寄存器各位都被置位时低电平有效；/INT是开漏输出，且与系统中的其它/INT是线或的；此引脚上的低电平可
45、以把芯片从睡眠模式中激活。/RST：复位输入，用于复位CAN接口（低电平有效）；把/RST引脚通过电容连到VSS，通过电阻连到VDD可自动上电复位（例如，C=1F；R=50k）。VDD2：输入比较器的5V电压源 。RX0，RX1：从物理总线输入到SJA1000输入比较器的输入端；显性电平将会唤醒SJA1000的睡眠模式；如果RX1比RX0的电平高，就读出为显性电平，反之读出为隐形电平；如果时钟分频寄存器的CBP位被置位，就忽略CAN输入比较器以减少内部延时（此时连有外部收发电路）；这种情况下只有RX0是激活的；隐形电平被认为是高，而显性电平被认为是低。VSS2：输入比较器的接地端。VDD1：逻
46、辑电路的5V电压源。 4.2.3 SJA1000的应用说明SJA1000在软件和引脚上都是与它的前一款PCA82C200独立CAN控制器兼容的。在此基础上它增加了很多新的功能。为了实现软件兼容，SJA1000增加修改了两种不同的工作模式：BasicCAN模式：与PCA82C200兼容。PeliCAN模式：扩展特性。工作模式通过时钟分频寄存器中的CAN模式位来选择，复位后默认模式是BasicCAN模式。在PeliCAN模式下，SJA1000有一个含很多新功能的重组寄存器。SJA1000包含了设计在PCA82C200中的所有位及一些新的功能位。PeliCAN模式支持CAN 2.0B协议规定的所有功能。SJA1000的主要新功能：1标准帧和扩展帧信息的接收和传送。2接收FIFO（64个字节）。3用于标准帧和扩展帧的单/双验收滤波器（含屏蔽和代码寄存器）。4读/写访问的错误计数器。5可编程的错误限制报警。6最近一次的误码寄存器。7对每一个CAN总线错误的错误中断。8仲裁丢失中
