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CAN智能節點的設計
摘要：CAN總線是一種流行的實時性現場總線，文中提出了一種基于MSP430單片機，并以MCP2510為CAN控制器的智能節點設計方案，該方案利用MSP430通過標準SPI接口可實現對MCP2510的控制，并能夠完全實現CAN總線規范。１ 引言
ＣＡＮ總線是控制器局域網（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔ-ｗｏｒｋ）總線的簡稱，它屬于現場總線范疇，是一種能有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，它可將掛接在現場總線上作為網絡節點的智能設備連接成網絡系統，
并進一步構成自動化系統，從而實現基本的控制、補償、計算、參數修改、報警、顯示、監控、優化及控管一體化的綜合自動化功能。
ＣＡＮ總線智能節點在分布式控制系統中起著承上啟下的作用。它位于傳感器和執行機構所在的現場，一方面和上位機（ＰＣ或者工控機）進行通信，以完成數據交換；另一方面又可根據系統的需要對現場的執行機構或者傳感器進行控制和數據采集。它常常將一些簡單的過程控制程序放在底層模塊中，從而減少了通信量，提高了系統控制的實時性。因此，智能化模塊設計在ＣＡＮ系統中有著十分重要的作用。
本文將給出一種用ＭＳＰ４３０單片機和ＭＣＰ２５１０ ＣＡＮ控制器組成的總線智能節點的設計方案（見圖１），該方案中的單片機和ＣＡＮ控制器通過標準的ＳＰＩ接口進行通信，因此，該節點能夠完成對被控器件的數據采集上報，并接受上位機的命令，進而進行解析以完成對執行機構的控制。為了調試簡單，本方案作了一些改動：一是使ＭＣＰ２５１０工作在環回模式，也就是數據由發送緩存直接發送到接收緩存，由于不經過ＣＡＮ收發器和ＣＡＮ總線，而只是使用了它的一個發送緩存和一個接收緩存，因而方便了調試；二是把被控器件的數據采集和對執行機構的控制部分略去，而這些功能在以后可以方便地添加，這樣，在實際使用時，只要對程序稍作修改就可應用。
２ 硬件設計
本設計的整個接口模塊主要由兩部分組成：ＣＡＮ控制器ＭＣＰ２５１０和微控制器ＭＳＰ４３０。圖２所示是該智能節點的部分電路硬件原理圖。下面對主要部分功能作一介紹。
２．１ ＭＳＰ４３０Ｆ１２３２簡介
ＭＳＰ４３０系列微控制器是ＴＩ公司推出的功能強大的超低功耗１６位微處理器。它集成了豐富的片上外圍資源，因而開發方式十分簡便，可以用Ｃ語言編寫出效率很高的程序。所選ＭＳＰ４３０Ｆ１２３２的工作電壓為１．８～３．６Ｖ，內含８ｋＢ ＦＬＡＳＨ存儲空間。片內集成了看門狗定時器（ＷＴＤ）、基本時鐘模塊、ＵＳ-ＡＲＴ、１０位ＡＤＣ、和帶有３個捕獲／比較器的１６位定時器，因而片上資源十分豐富，完全可以滿足一般的需要，同時減少了設計的復雜度。與其它單片機相比，ＭＳＰ４３０的Ｉ／Ｏ端口功能更強，可實現雙向的輸入、輸出，并可完成一些特殊的功能，如Ａ／Ｄ轉換、捕獲比較等；另外，它還可以實現Ｉ／Ｏ的各種中斷。
本設計中，ＭＳＰ４３０的作用有兩個：一是對執行機構的控制以及對輸入模擬量或者開關量的信號采集；二是利用ＵＡＲＴ模塊通過ＳＰＩ模式與ＭＣＰ２５１０通信并控制ＭＣＰ２５１０以實現ＣＡＮ規范。
２．２ ＭＣＰ２５１０簡介
ＭＣＰ２５１０?１?是Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司推出的功能很強的ＣＡＮ控制器芯片，它支持ＣＡＮ１．２、２．０Ａ及２．０Ｂ規范；其內部結構見圖３所示。該芯片內含３個發送緩存和２個接收緩存，可以對發送優先級進行管理，可濾除無用信息，ＭＣＰ２５１０有６個可編程濾波器，而且中斷資源十分豐富。最可貴的是，它可以通過標準的ＳＰＩ接口與微控制器進行通信，從而放寬了ＭＣＵ的選擇范圍?使得所有單片機都有接入的可能。
ＭＣＰ２５１０的主要功能是在ＭＣＵ的控制下實現ＣＡＮ規范，它內部的所有寄存器和控制寄存器都映射到一個地址表上，ＭＣＵ可以使用相應的命令格式通過標準的ＳＰＩ接口來完成對ＭＣＰ２５１０的初始化、工作狀態的控制以及數據的讀寫。此外，ＭＣＰ２５１０產生的中斷還可以反饋給ＭＣＵ來處理。
２．３ 系統時鐘
由于ＭＳＰ４３０的時鐘頻率決定著指令周期，因而該時鐘直接影響ＳＰＩ接口的速率。ＭＳＰ４３０Ｆ１２３２有兩個可選的時鐘：一是外部低速３２．７６８ｋＨｚ的時鐘晶體；二是采用內部數控ＤＣＯ的可調頻率。本設計直接采用它內部的數控ＤＣＯ作為它的主時鐘ＭＣＬＫ和ＳＭＣＬＫ，由于直接工作在８００ｋＨｚ，因而免去了使用晶體。ＭＣＰ２５１０采用標準的４ＭＨｚ晶體。ＭＳＰ４３０中ＵＳＡＲＴ模塊的ＣＬＫ可由系統時鐘分頻得到，速率設定也十分方便。實際上，ＭＣＰ２５１０輸出到總線的速率也可通過設置內部寄存器的控制分頻系數來調節。
此外，由于ＭＣＰ２５１０的輸出信號驅動能力不夠，而且與ＣＡＮ總線物理接口的要求存在很大的差異，所以，在實際應用中必須使用ＣＡＮ收發器（如ＭＣＰ２５５１等），它可支持的ＣＡＮ速率最高可達１Ｍｂｐｓ，而且容錯能力很強。此外，它內部還有很強的保護電路，可以防止總線的其它節點對它的影響。
３ 軟件設計
在進行本系統節點的軟件設計前，首先簡要說明一下ＭＣＰ２５１０的指令格式，ＭＣＰ２５１０的５條指令如表１所列。
表1 MCP2510指令格式
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