摘 要：本文介紹了一種基于單片機(jī)系統(tǒng)的CAN總線接口系統(tǒng)，通過將CAN總線上的數(shù)字指令轉(zhuǎn)換為模擬控制信號(hào)，送給已有的四路電動(dòng)伺服模擬控制系統(tǒng)。該方案實(shí)現(xiàn)了四通道位置控制的CAN總線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：CAN總線；位置隨動(dòng)系統(tǒng)；D/A轉(zhuǎn)換；多路模擬開關(guān)

概述
根據(jù)課題要求，并經(jīng)充分考慮CAN總線數(shù)據(jù)通訊的特點(diǎn)、四個(gè)通道位置控制規(guī)律及實(shí)際工程的環(huán)境與條件之后，設(shè)計(jì)了一個(gè)CAN總線節(jié)點(diǎn)，并利用四個(gè)通道的控制信號(hào)來實(shí)施四路位置控制。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示，根據(jù)該圖可以把本文中要描述的系統(tǒng)劃分為三個(gè)部分：CAN總線接口電路、單片機(jī)系統(tǒng)、D/A轉(zhuǎn)換電路。CAN總線接口電路主要提供CAN總線物理層通訊協(xié)議所要求的電氣連接，保證可靠通訊；單片機(jī)系統(tǒng)是本CAN總線節(jié)點(diǎn)的中樞，主要是控制和協(xié)調(diào)各部分的正常工作，并按算法計(jì)算形成四通道的控制信號(hào)；D/A轉(zhuǎn)換電路則要把單片機(jī)所形成的四個(gè)通道的數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為四路模擬控制信號(hào)去驅(qū)動(dòng)四路的電機(jī)控制系統(tǒng)，同時(shí)要保證系統(tǒng)允許的延時(shí)和信號(hào)的線性度，終完成對(duì)四通道的位置控制。

硬件設(shè)計(jì)
CAN總線接口電路設(shè)計(jì)
完整的接口電路原理圖如圖2所示，該電路包含了CAN總線協(xié)議控制芯片SJA1000(與PCX82C200兼容)和CAN總線驅(qū)動(dòng)芯片82C250以及它們各自的外圍電路。在此只討論實(shí)現(xiàn)過程中幾個(gè)具體問題。
片選信號(hào)：總體方案設(shè)計(jì)中確定了本系統(tǒng)地址空間的分配，CAN總線接口電路占用了C000~DFFF。為了有效利用已有的邏輯芯片，采用線選法產(chǎn)生片選信號(hào)CanSelt。片選信號(hào)CanSelt低電平有效。
總線連接：由于SJA1000本身具有分時(shí)復(fù)用的8位地址數(shù)據(jù)總線，并且引腳3、引腳5以及引腳6分別對(duì)應(yīng)單片機(jī)地址鎖存信號(hào)ALE、讀信號(hào)和寫信號(hào)，因此可以直接與80C196KC單片機(jī)的地址數(shù)據(jù)總線、控制總線對(duì)應(yīng)連接。
中斷信號(hào)：當(dāng)SJA1000進(jìn)行總線通信，需要單片機(jī)參與處理時(shí)，就在引腳16產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)。這些觸發(fā)中斷的事件包括總線上成功接收到有效數(shù)據(jù)幀、成功發(fā)送數(shù)據(jù)幀、CAN協(xié)議芯片被其它CAN節(jié)點(diǎn)喚醒、接收緩沖區(qū)超限以及總線狀態(tài)出錯(cuò)等。引腳16平時(shí)維持高電平，中斷時(shí)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變信號(hào)。由于80C196KC單片機(jī)的外部中斷正跳變信號(hào)有效，所以SJA1000的中斷信號(hào)要經(jīng)過一個(gè)非門再送到單片機(jī)的外部中斷引腳。但在實(shí)際電路中，無中斷產(chǎn)生時(shí)，SJA1000的引腳16是觀察不到高電平的，只能觀察到0.7V~0.8V的電平信號(hào)。這是因?yàn)楦唠娖奖幌录?jí)的非門導(dǎo)通拉低所致，不影響正常使用。
多路D/A轉(zhuǎn)換通道電路設(shè)計(jì)
CAN總線是一種串行總線，總線上傳輸?shù)男畔⑹菙?shù)字信號(hào)，而已有的電機(jī)控制系統(tǒng)是模擬控制系統(tǒng),因此需要設(shè)計(jì)D/A轉(zhuǎn)換電路來解決這一問題。在D/A轉(zhuǎn)換接口設(shè)計(jì)中主要考慮的問題是D/A轉(zhuǎn)換芯片的選擇、數(shù)字量的碼輸入及模擬量的極性輸出、參考電壓電流源、模擬電量輸出的調(diào)整與分配等?；谏鲜鲆蛩?，本設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。在該結(jié)構(gòu)中采用同一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換芯片分時(shí)、分別對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，再由一個(gè)多路采樣保持電路將轉(zhuǎn)換結(jié)果分時(shí)提取，并送到各路模擬信號(hào)通道。
由于電機(jī)模擬控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)如下：
輸入/輸出關(guān)系：輸入為±10V；對(duì)應(yīng)電機(jī)輸出齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)為±250；位置控制：角度誤差≤±0.10；
則0.1雜Φ男藕諾繆?:

又知D/A轉(zhuǎn)換分辨率頻畝ㄒ邐?

另外，雙極性輸出情況下，有效位MSB用作符號(hào)位，決定輸出電壓的極性。由以上則可得出，為了滿足電機(jī)模擬控制系統(tǒng)要求的D/A器件所需位數(shù)為9位。但是在實(shí)際中電路器件或電源的誤差是不可避免的，所以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)應(yīng)選用12位D/A轉(zhuǎn)換器件，以保證實(shí)際D/A轉(zhuǎn)換的結(jié)果滿足系統(tǒng)指標(biāo)的要求。
在圖3中，多路模擬開關(guān)與保持電路實(shí)際上構(gòu)成的是一個(gè)采樣保持器，該采樣保持器的設(shè)計(jì)在本文所述的多路D/A轉(zhuǎn)化電路設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的。采樣保持器一般由模擬開關(guān)、存儲(chǔ)元件(保持電容)和緩沖放大器組成，保持電容在實(shí)際應(yīng)用中還起到了信號(hào)濾波的作用。如果在模擬開關(guān)之后不加保持電容或加得不當(dāng)，都會(huì)在終模擬輸出的波形上出現(xiàn)尖峰脈沖。根據(jù)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)該保持電容取0.01mF時(shí)的效果較好。取得太小，則“毛刺”不能有效被去除，取得太大則影響D/A轉(zhuǎn)換電路的速度。另外，當(dāng)采樣開關(guān)(多路模擬開關(guān))斷開后，保持電容進(jìn)入信號(hào)電壓保持狀態(tài)。由于采樣開關(guān)、保持電容、輸出緩沖放大器都存在漏電流，所以會(huì)造成保持電容中電量的流失。如設(shè)保持電壓U=10V，保持電容C取0.01mF，則可以計(jì)算出放電時(shí)間t=1s。可見，控制模擬開關(guān)的關(guān)斷時(shí)間要大于20ms,小于1s。

軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)是圍繞CAN總線通訊進(jìn)行的，它包括CAN總線通訊初始化、CAN總線數(shù)據(jù)幀的定義和通訊中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)。
CAN總線通訊初始化
在系統(tǒng)上電復(fù)位后，程序?qū)⑼瓿上旅鎯身?xiàng)工作：
1)根據(jù)硬件系統(tǒng)的連接方式和要求確定微處理器的設(shè)置。
2)在SJA1000復(fù)位后，需要設(shè)置與通信相關(guān)的參數(shù)：模式的選擇、接收碼寄存器、接收屏蔽寄存器和總線定時(shí)等。
在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，也可以發(fā)出一個(gè)復(fù)位請(qǐng)求，根據(jù)實(shí)際情況重新確定系統(tǒng)的通信參數(shù)。初始化的流程圖如圖4所示。
另外，在調(diào)試的過程中確定出了一套CAN總線通信參數(shù)。決定CAN總線波形的寄存器有下面幾個(gè)：CAN_TIMER1(總線定時(shí)器0)、CAN_TIMER2(總線定時(shí)器1)、CAN_OUT_CTRL(輸出寄存器)?？偩€定時(shí)器0的內(nèi)容決定波特率預(yù)分頻器(BRP)和同步跳轉(zhuǎn)寬度(SJW)的數(shù)值;總線定時(shí)器1的內(nèi)容決定位周期寬度、采樣點(diǎn)位置和在每個(gè)采樣點(diǎn)獲取采樣點(diǎn)的數(shù)目。經(jīng)過實(shí)際調(diào)試，采用如下設(shè)置參數(shù)：
ldb T1,#81h
;設(shè)置總線定時(shí)器0
stb T1,CAN_TIMER1
ldb T1,#0c1h
;設(shè)置總線定時(shí)器1
stb T1,CAN_TIMER2
ldb T1,#0aah
;設(shè)置輸出寄存器
stb T1,CAN_OUT_CTRL
CAN總線數(shù)據(jù)幀的定義
Basic模式下，CAN總線幀包含10個(gè)字節(jié)。其中前兩個(gè)字節(jié)是描述符，后八個(gè)字節(jié)是數(shù)據(jù)長。本軟件設(shè)計(jì)中采用的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：
1)指令動(dòng)作類型由11位的標(biāo)識(shí)符定義，可滿足不同類型的控制要求。
2)各通道的控制指令由幀數(shù)據(jù)長中的16位雙字節(jié)給出，滿足系統(tǒng)12位要求。
3)每次數(shù)據(jù)幀傳送，同時(shí)給出4個(gè)通道的控制指令與動(dòng)作類型，單幀信息容量大，節(jié)約系統(tǒng)通信資源。
通訊中斷服務(wù)程序
如果SJA1000收到一個(gè)報(bào)文，通過接收碼寄存器和接收屏蔽寄存器，并放到接收緩存中后，控制器就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)接收中斷。這樣，微處理器可以很快的響應(yīng)，接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)際的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，然后通過設(shè)置命令寄存器釋放接收緩沖區(qū)。接收緩存新的報(bào)文到來將產(chǎn)生一個(gè)新的接收中斷。
在CAN總線節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)過程中還要注意數(shù)據(jù)超載,當(dāng)接收緩沖區(qū)已經(jīng)滿了，但又收到了一個(gè)新的報(bào)文信息，這時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)超載中斷。同時(shí)，狀態(tài)寄存器中的“數(shù)據(jù)超載位”將被置位，用以通知微處理器，必須有相應(yīng)的程序?qū)@種情況進(jìn)行處理。

結(jié)語
本文所介紹的方案中，用單CAN總線節(jié)點(diǎn)及一路D/A轉(zhuǎn)換器件與模擬選擇開關(guān)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)對(duì)四路位置的隨動(dòng)系統(tǒng)控制。與其它方案相比有結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)現(xiàn)容易，課題開銷少等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)其它類似設(shè)計(jì)有可借鑒性?！?/P>

參考文獻(xiàn)
1 孫涵芳. intel 16位單片機(jī). 北京航空航天大學(xué)出版社，1995
2 鄔寬明. CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì). 北京航空航天大學(xué)出版社，1997
3 張松春，竺子蘭. 電子控制設(shè)備抗干擾技術(shù)及其應(yīng)用. 機(jī)械工業(yè)出版社，1994
4 SJA1000 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/SJA1000_609075.html.
5 80C196KC datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/80C196KC_103576.html.