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CAN智能节点的设计
摘要：CAN总线是一种流行的实时性现场总线，文中提出了一种基于MSP430单片机，并以MCP2510为CAN控制器的智能节点设计方案，该方案利用MSP430通过标准SPI接口可实现对MCP2510的控制，并能够完全实现CAN总线规范。１ 引言
ＣＡＮ总线是控制器局域网（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔ-ｗｏｒｋ）总线的简称，它属于现场总线范畴，是一种能有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，它可将挂接在现场总线上作为网络节点的智能设备连接成网络系统，
并进一步构成自动化系统，从而实现基本的控制、补偿、计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能。
ＣＡＮ总线智能节点在分布式控制系统中起着承上启下的作用。它位于传感器和执行机构所在的现场，一方面和上位机（ＰＣ或者工控机）进行通信，以完成数据交换；另一方面又可根据系统的需要对现场的执行机构或者传感器进行控制和数据采集。它常常将一些简单的过程控制程序放在底层模块中，从而减少了通信量，提高了系统控制的实时性。因此，智能化模块设计在ＣＡＮ系统中有着十分重要的作用。
本文将给出一种用ＭＳＰ４３０单片机和ＭＣＰ２５１０ ＣＡＮ控制器组成的总线智能节点的设计方案（见图１），该方案中的单片机和ＣＡＮ控制器通过标准的ＳＰＩ接口进行通信，因此，该节点能够完成对被控器件的数据采集上报，并接受上位机的命令，进而进行解析以完成对执行机构的控制。为了调试简单，本方案作了一些改动：一是使ＭＣＰ２５１０工作在环回模式，也就是数据由发送缓存直接发送到接收缓存，由于不经过ＣＡＮ收发器和ＣＡＮ总线，而只是使用了它的一个发送缓存和一个接收缓存，因而方便了调试；二是把被控器件的数据采集和对执行机构的控制部分略去，而这些功能在以后可以方便地添加，这样，在实际使用时，只要对程序稍作修改就可应用。
２ 硬件设计
本设计的整个接口模块主要由两部分组成：ＣＡＮ控制器ＭＣＰ２５１０和微控制器ＭＳＰ４３０。图２所示是该智能节点的部分电路硬件原理图。下面对主要部分功能作一介绍。
２．１ ＭＳＰ４３０Ｆ１２３２简介
ＭＳＰ４３０系列微控制器是ＴＩ公司推出的功能强大的超低功耗１６位微处理器。它集成了丰富的片上外围资源，因而开发方式十分简便，可以用Ｃ语言编写出效率很高的程序。所选ＭＳＰ４３０Ｆ１２３２的工作电压为１．８～３．６Ｖ，内含８ｋＢ ＦＬＡＳＨ存储空间。片内集成了看门狗定时器（ＷＴＤ）、基本时钟模块、ＵＳ-ＡＲＴ、１０位ＡＤＣ、和带有３个捕获／比较器的１６位定时器，因而片上资源十分丰富，完全可以满足一般的需要，同时减少了设计的复杂度。与其它单片机相比，ＭＳＰ４３０的Ｉ／Ｏ端口功能更强，可实现双向的输入、输出，并可完成一些特殊的功能，如Ａ／Ｄ转换、捕获比较等；另外，它还可以实现Ｉ／Ｏ的各种中断。
本设计中，ＭＳＰ４３０的作用有两个：一是对执行机构的控制以及对输入模拟量或者开关量的信号采集；二是利用ＵＡＲＴ模块通过ＳＰＩ模式与ＭＣＰ２５１０通信并控制ＭＣＰ２５１０以实现ＣＡＮ规范。
２．２ ＭＣＰ２５１０简介
ＭＣＰ２５１０?１?是Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司推出的功能很强的ＣＡＮ控制器芯片，它支持ＣＡＮ１．２、２．０Ａ及２．０Ｂ规范；其内部结构见图３所示。该芯片内含３个发送缓存和２个接收缓存，可以对发送优先级进行管理，可滤除无用信息，ＭＣＰ２５１０有６个可编程滤波器，而且中断资源十分丰富。最可贵的是，它可以通过标准的ＳＰＩ接口与微控制器进行通信，从而放宽了ＭＣＵ的选择范围?使得所有单片机都有接入的可能。
ＭＣＰ２５１０的主要功能是在ＭＣＵ的控制下实现ＣＡＮ规范，它内部的所有寄存器和控制寄存器都映射到一个地址表上，ＭＣＵ可以使用相应的命令格式通过标准的ＳＰＩ接口来完成对ＭＣＰ２５１０的初始化、工作状态的控制以及数据的读写。此外，ＭＣＰ２５１０产生的中断还可以反馈给ＭＣＵ来处理。
２．３ 系统时钟
由于ＭＳＰ４３０的时钟频率决定着指令周期，因而该时钟直接影响ＳＰＩ接口的速率。ＭＳＰ４３０Ｆ１２３２有两个可选的时钟：一是外部低速３２．７６８ｋＨｚ的时钟晶体；二是采用内部数控ＤＣＯ的可调频率。本设计直接采用它内部的数控ＤＣＯ作为它的主时钟ＭＣＬＫ和ＳＭＣＬＫ，由于直接工作在８００ｋＨｚ，因而免去了使用晶体。ＭＣＰ２５１０采用标准的４ＭＨｚ晶体。ＭＳＰ４３０中ＵＳＡＲＴ模块的ＣＬＫ可由系统时钟分频得到，速率设定也十分方便。实际上，ＭＣＰ２５１０输出到总线的速率也可通过设置内部寄存器的控制分频系数来调节。
此外，由于ＭＣＰ２５１０的输出信号驱动能力不够，而且与ＣＡＮ总线物理接口的要求存在很大的差异，所以，在实际应用中必须使用ＣＡＮ收发器（如ＭＣＰ２５５１等），它可支持的ＣＡＮ速率最高可达１Ｍｂｐｓ，而且容错能力很强。此外，它内部还有很强的保护电路，可以防止总线的其它节点对它的影响。
３ 软件设计
在进行本系统节点的软件设计前，首先简要说明一下ＭＣＰ２５１０的指令格式，ＭＣＰ２５１０的５条指令如表１所列。
表1 MCP2510指令格式
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