由单片机和CAN控制器MCP2510实现CAN总线系统智能节点的设计

CAN（Controller Area Network）总线，即控制器局域网。由于具有高性能、高可靠性以及独特的设计，CAN总线越来越受到人们的重视。德国的Bosch公司最初为汽车监控和控制系统设计了CAN总线，现在，其应用已面向过程工业、机械工业、纺织工业、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。CAN总线已经形成国际标准，并已经公认为是最有前途的现场总线之一。CAN总线规范已经被国际标准化组织制订为国际标准ISO11898，并得到众多半导体器件厂商的支持，推出各种集成有CAN协议的产品。CAN总线系统智能节点是网络上报文的接收和发送站，一般由单片机和CAN控制器或二者合二为一组成。

MCP25l0是Microchip公司生产的一种独立的可编程CAN控制器芯片。本文将介绍新型的独立CAN通信控制器MCP2510，并给出其在CAN总线系统智能节点中的应用实例。

1 MCP2510芯片介绍

MCP25lO是一种带有SPI接口的CAN控制器，DIP封装如图1所示。它支持CAN技术规范V2.OA／B，能够发送或接收标准的和扩展的信息帧，同时具有接收滤波和信息管理的功能。MCP2510通过SI接口与MCU进行数据传输，最高数据传输速率可达5 Mbps，MCU可通过MCP2510与CAN总线上的其他MCU单元通信。MCP2510内含3个发送缓冲器和2个接收缓冲器，同时还具有灵活的中断管理能力，这些特点使得MCU对CAN总线的操作变得非常简便。

1.1 MCP2510的主要特点

◇支持CANV2.0A／B；

◇具有SPI接口，支持SPI模式0，0和1，1；

◇内含3个发送缓冲器和2个接收缓冲器，可对其优先权进行编程；

◇具有6个接收过滤器，2个接收过滤器屏蔽；

◇具有灵活的中断管理能力；

◇采用低功耗CMOS工艺技术，其工作电压范围为3.0～5.5 V，有效电流为5 mA，维持电流为10μA；

◇工作温度范围为-40～十125℃。

1.2 结构及工作原理

MCP2510有PDIP、SOIC和TSSOP三种封装形式。图2是MCP2510的内部结构框图。CAN协议机负责与CAN总线的接口，SPI接口逻辑用于实现同MCU的通信，而寄存、缓冲器组与控制逻辑则用来完成各种方式的设定和操作控制。现结合其工作过程将各部分的功能、原理作一介绍。

（1） 收发操作

MCP251O的发送操作通过3个发送缓冲器来实现。这3个发送缓冲器各占据14字节的SRAM。第1字节是控制寄存器TXBNCTRL，该寄存器用来设定信息发送的条件，且给出了信息的发送状态；第2～6字节用来存放标准的和扩展的标识符以及仲裁信息；最后8字节则用来存放待发送的数据信息。在进行发送前，必须先对这些寄存器进行初始化。

（2） 中断管理

MCP25lO有8个中断源，包括发送中断、接收中断、错误中断及总线唤醒中断等。利用中断使能寄存器（CANINTE）和中断屏蔽寄存器（CANINTF）可以方便地实现对各种中断的有效管理。当有中断发生时，INT引脚变为低电平并保持在低电平，直到MCU清除中断为止。

（3） 错误检测

CAN协议具有CRCF错误、应答错误、形式错误、位错误和填充错误等检测功能。MCP2510内含接收出错计数器（REC）和发送出错计数器（TEC）两个错误计数器。因而对网络中的任何一个节点来说，都有可能因为错误汁数器的数值不同而使其处于错误一激活、错误一认可和总线-脱离3种状态之一。

2 MCP2510在智能节点中的应用实例

利用MCP2510和CAN总线收发器TJA1050可构成一个CAN总线分布式测控网络。系统可包括一个主控制器和多个节点控制器，这种节点控制器可对电动机的电流、电压及周围的温度进行监控，其结构如图3所示。

这种网络拓扑结构采用了总线式结构和无源抽头连接，且结构简单、成本低，因而系统的可靠性较高。其信息传输采用CAN通信协议，通信介质采用双绞线。由于CAN总线是基于发送报文的编码，不对CAN控制节点进行编码，故系统的可扩充性比较好，同时增删CAN总线上的控制节点不会对系统的其余节点造成任何影响。

节点控制器的MCU可选用具有SPI接口的微处理器，也可采用不带SPI接口的微处理器。本系统采用的是不带SPI接口的微处理器AT89C51。AT89C51可通过P1口与CAN控制器的SPI接口直接相连，并用软件算法来实现SPI接口协议。CAN总线收发器TJA1050则作为MCP25l0与物理总线的接口。如果需要进一步提高系统的抗干扰能力，则可在MCP2510和TJAl050之间再加一个光电隔离器。

智能节点电路原理图如图4所示。

2.1 软件设计

MCP2510正常工作之前，需要进行正确的初始化，包括设置SPI接口的数据传输速率、CAN通信的波特率、MCP2510的接收过滤器和屏蔽器以及发送和接收中断允许标志位等。与SJA1000不同的是，单片机对MCP2510的接收缓冲器和发送缓冲器的操作，必须通过SPI接口用MCP2510内置读写命令来完成。其读、写命令时序图如图5和图6所示。

本文中MCP2510主要采取中断模式进行总线数据的接收和发送。整个系统主序提供两种中断：定时器中断和外部中断。定时器中断的中断子程序主要负责处理来自模拟通道AIN0～AIN7的A／D数据，向MCP2510发送“数据发送请求命令”以及发送数据。外部中断的中断处理子程序主要包括CAN总线错误处理子程序和数据接收子程序。

2.2 软件主体设计流程

软件主体设计流程如图7所示。软件设计时需要注意以下问题：

①因为MCP2510在初始化完成后处于默认Config-uration模式下，所以就需要在MCP2510的初始化完后将其置为Normal模式，否则MCP2510将一直停留在Configuration模式下，不能正常进行工作。将MCP2510置Normal模式可通过使用MCP2510内置的BitModify（位修改）4指令向CANCTRL控制字写入一个0字节来实现。

②在对MCP2510进行任何操作之前，都要由微处理器向MCP2510的片选CS输出一个低电平，使得MCP2510选通。

③在执行MCP2510的“读”操作时，发送完读指令及其地址码之后，仍然需要向MCP2510提供时钟，以接收“读”到的数据。可以通过向MCP2510发送一个0字节来实现。

④在对MCP2510完成任意操作后，都要延时一段时间，使其有足够的时间来准备接收下次操作的命令，防止出现MCP2510“忙”的情况。

3 总 结

CAN总线已被公认为是最有前途的几种现场总线之一。因其性价比高、实现简单等突出优点深受越来越多的研发人员的青睐。本文的智能节点可联结多个集散控制系统，其软硬件电路的设计方法同样适合于其他基于CAN总线的分布式控制系统的节点设汁。