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基于C8051F020单片机和SJA1000控制器实现深海测控系

1、小序

为了开拓海洋资本,人类必须首先懂得海底情况。然而,海底情况十分繁杂,对海底探测的要求很高,深海情况下必要采集的参数对照多,包括深度、温度、盐度、PH值、消融氧及各类化学元素等。

深海测控系统事情时必要接管来自甲板节制中间的敕令,同时要将采集到的数据反送到甲板节制中间,二者之间的最大年夜通信间隔大年夜于5km,是以,它们之间的通信要求很高。CAN总线与一样平常的通信总线比拟,它的数据通信具有凸起的靠得住性、实时性和机动性。CAN的直接通信间隔最远可达10km(速度在5kb/s以下),报文采纳短帧布局,传输光阴短,受滋扰概率低,包管了数据掉足率极低。为此,采纳CAN总线作为通信要领。

2、深海测控系统的基础组成

深海测控模块由二大年夜部分组成:测控子模块和通信子模块。测控子模块的主要功能是根据甲板节制中间的敕令启动系统并完成参数提取、转换、数据处置惩罚、存储及发送等操作。通信子模块的功能是完成甲板与水下测控系统的通信。

测控子模块以Cygnal公司的C8051F020型单片机为核心,扩展旌旗灯号疗养电路及与CAN总线的接口。通信子模块是Philips公司的SJA1000型CAN节制器。

2.1 测控子模块

深海测控子模块由微节制器系统和I/O系统组成。

微节制器是Cygnal公司的C8051F020型单片机。C8051F020采纳CIP-51型微节制器内核及流水线指令布局,70%的指令履行光阴为1个或2个系统时钟周期,峰值速率达到25MI/s,能满意深海情况下多路数据的快速采集与阐发。C8051F020型单片机内部集成1个12位8通道带可编程增益放大年夜器的A/D转换器和1个8位8通道A/D转换器,能满意深海多路情况参数采集;2路12位电压输出D/A转换器;16位可编程准时/计数器阵列PCA可用于输出PWM以节制步进电机的运转;64个耐5V电压的通用I/O口可节制开关器件的启动和竣事。

微节制器系统还包括了单片机的一些基础外围电路。系统还开展了1片容量达64Mbyte的串行Flash存储器,用以保存采集到的数据,以避免CAN通信不畅时造成数据损掉。应用时只要微节制器外接响应的传感器继电器、电机等就可以完成各类情况下参数的采集及响应的节制

2.2 通信子模块

SJA1000是PHILIPS公司推出的一款自力的CAN节制器,主要用于移动目标和一样平常工业情况中的区域收集节制。它是PCA82C200型CAN节制器(BasicCAN)的替代产品,而且增添了一种新的操作模式--PeliCAN,这种模式支持具有很多新特性的CAN2.0B协议。

SJA1000的基础特性如下:

·引脚与PCA2C200型CAN节制器兼容。

·有扩展的接管缓冲器(64字节,先辈先出FIFO)。

·支持CAN2.0A和CAN2.0B协议。

·支持11位和29位标识码。

·通信位速度可达1Mb/s。

·可与不合的微处置惩罚器接口。

·可编程的CAN输出驱动器设置设置设备摆设摆设。

SJA1000的引脚排列如图1所示,主要引脚的功能如下所述。

AD7-AD0:地址数据复用线。

ALE/AS:ALE输入旌旗灯号(Intel模式)或AS输入旌旗灯号(Motorola模式)。

CS:片选旌旗灯号,低电平正许造访SJA1000。

RD/E:来自微节制器的RD旌旗灯号(Intel模式)或E使能旌旗灯号(Motorola模式)。

WR:来自微节制器的WR旌旗灯号(Intel模式)或RD/WR使能旌旗灯号(Motorola模式)。

CLKOUT:SJA1000孕育发生用于微节制器的时钟输出旌旗灯号;时钟旌旗灯号由内置晶体振荡器经由过程可编程除法器孕育发生;时钟除法寄存器中的时钟竣事位能使该引脚无效。

VDD1和VSS1:逻辑电路5V电源和逻辑电路地。

XTAL:晶体振荡器放大年夜器输入,外部晶体振荡器旌旗灯号由该脚输入。

XTAL2:晶体振荡器放大年夜器输出,当应用外部晶体振荡器旌旗灯号时,该输出引脚必须开路

VDD3和VSS3:输出驱动5V电源和输出驱动地。

TX0和TX1:CAN输出驱动器0和1输出到物理总线。

INT:中断输出,用于触发微节制器中断;内部中断寄存器的任何位置位,INT将低电平输出;INT为开环输出;该引脚为低电平将电路从就寝状态激活。

RST:复位输入,用于复位CAN接口(低电平有效)。

VDD2和VSS2:输入对照器5V电源和输入对照器地。

RX0和RX1:从物理CAN总线输入到SJA1000的输入对照器。

SJA1000与微处置惩罚器的接口异常简单,微处置惩罚器以造访外部存储器的要领来造访SJA1000。因为SJA1000的内部寄存器散播在继续的地址内,以是完全可以把SJA1000算作外部RAM。在设计接口电路时,SJA1000的片选地址应与其他外部存储器的片选在逻辑上无冲突。

3、系统设计

SJA1000型CAN节制器兼容CAN2.0A和CAN2.0B二种规范。CAN2.0B具有二种不合的帧款式:标准帧和扩展帧,前者为11位标识符,后者为29位标识符。前者的标识符比后者的标识符少2个字节。深海测控系统的CAN节点数量少,只有上位机节点和水下测控中间节点,以是纵然间隔对照远,对传输数据速率和靠得住性的影响也不是很大年夜。

3.1 单片机与CAN节制器的硬件设计

图2为C8051F020型单片机与SJA1000型节制器的硬件连接电路道理。SJA1000占用了0x8000-0x80FF的外部RAM空间。当单片机造访以上空间时片选旌旗灯号会选中SJA1000。

C8051F020有上下2个外部存储器接口。是以,SJA1000的AD0-AD7连接到C8051F020的高端口P7口,CS连接到基址为0x8000的外部存储器片选旌旗灯号。当C8051F020造访地址0x8000-0x80FF时,CPU可对SJA1000履行响应的读/写操作。SJA1000的RD、WR和ALE分手与C8051F020的对应引脚相连,INT接C8051F020的INT0引脚,于是C8051F020可经由过程中断要领造访SJA1000。SJA1000的复位旌旗灯号RST为低电平有效。C8051F020的AD0-AD7口用于地址/数据的输入/输出,将其设置设置设备摆设摆设为漏极开路要领,使用4.7kΩ上拉电阻器拉至5V。经由过程设置数字交叉开关,将C8051F020的外部中断引脚设置设置设备摆设摆设到P2.7口。

CAN能够应用多种物理介质,例如双绞线和光纤等。该设计规划采纳双绞线。旌旗灯号以差分电压传送,2条旌旗灯号线为CAN_H和CAN_L,静态时为2.5V,此时状态表示逻辑“1”,也叫做“隐性”。CAN_H比CAN_L高,表示逻辑“0”,称为“显性”,此时CAN_H=3.5V,CAN_L=1.5V。TJA1050型CAN总线收发器是CAN协议节制器和物理总线之间的接口,CAN总线上二端节点须加60Ω电阻器和47nF电容器将旌旗灯号接受,以避免旌旗灯号反射。为了增强CAN总线节点的抗滋扰能力,SJA1000的TX1与RX1经由过程6N137型高速光耦后与TJA1050相连。这样就很好地实现了总线上各CAN节点间的电气隔离。此中,光耦部分电路的2个电源VCC和V_CAN必须完全隔离,否则采纳光耦便是掉去了意义。电源的完全隔离可采纳小功率电源隔离模块和经由过程带多个5V隔离输出的开关电源模块实现。

3.2 软件设计

通信协议采纳“ID+敕令+数据+校验”的形式,此中ID为收集设备的标识符,采纳ID.18-ID.20。标识符ID.21-ID.28作为固天敕令,不介入验收滤波。数据表示通信的详细内容。校验为1个字节,采纳校验和的形式,因为CAN总线本身具有15位CRC校验,并且该系统节点数少,竞争不会很猛烈,通信靠得住性对照高。

软件设计思惟为系统上电后C8051F020先对自身和SJA1000进行初始化以确定事情主频、波特率和输出特点等,然后接管来自甲板上位机的节制敕令,同时将获取的采样参数经由过程SJA1000传送到CAN总线上或备份到Flash存储器中;对SJA1000的初始化设计是重点,也是难点,必须对写入每个寄存器的内容进行仔细和周全斟酌,否则系统将无法正常运行。可设上位机SJA1000适配卡的ACR为xx20,AMR为FF00。水下测控中间SJA1000的ACR为xx40,AMR为FF00。

遵照上述思路,采纳C51编写了利用软件,下面是部分法度榜样清单。

初始化部分:

void CAN_Init(void)

{ CANMODE=0x09;//进入复位模式,单向验收滤波,对SJA1000初始化

CANCDR=0x88; //选择PeilCAN模式

CANIER=0x1A; //开放接管中断、超载中

因为深海测控系统对通信的实时性要求很高,一旦接管到甲板上传来的节制敕令就必须及时相应,为此从CAN总线上接管信息采纳中断要领。即SJA1000无错地接管到消息后使INT变为低电平,下降沿触发C8051F020的外部中断0,使其进入中断办事法度榜样。其流程如图3所所示。

假如要向CAN总线发送数据,则必须将相符PeilCAN帧款式的一组数据写入SJA1000的发送缓冲区,然后调用发送子函数。这里笔者采纳查询要领来实现发送。流程如图4所示。

4、停止语

基于SJA1000型CAN节制器的深海测控系统基础上满意了功耗低、体积小、重量轻、易扩展的要求,同时与甲板上位机之间的通信靠得住,完全能满意深海探测的必要,并能广泛利用于海洋油、气田功课,海洋污染监控和防治,海上渔业临盆等,前景广阔。

责任编辑:gt

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