曹學巖 張博 王海瑞

摘要：基于MSP430單片機的低功耗和CAN總線抗干擾能力擾強的特點，該文設計了一種以MSP430超低功耗單片機為現場節(jié)點控制中心的輸入輸出系統(tǒng)。利用CAN總線接口實現同上位機的數據遠程傳輸。該系統(tǒng)能夠很好的完成模擬量和數字量的采集和輸出、實時的顯示、數據的遠程通訊要求。該系統(tǒng)對于應用在現場設備中的有一定的參考價值。

關鍵詞：MSP430；CAN總線；I/O模塊；通訊接口

中圖分類號：TP332.3文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2012)22-5470-04

Design of Input and Output Modules Based on MSP430 and CAN Bus

CAO Xue-yan1, ZHANG Bo1, WANG Hai-rui2

(1.School of Mechanical Engineering and Automation, North University of China, Taiyuan 030051, China; 2.Chinese People`s Liberation Army Military Represent Office Residenting in 617 Factory, Baotou 014032, China)

Abstract: This paper designes a input and output system of field node controlling center with MSP430 ultra-low-power microcontroller based on the low power operation of MSP430 and powerful anti-interference performance of CAN bus.Using CAN bus interface achieves the long-distance data transitance with upper machince . The system performances well in acquiring and outputing of analog and digital signals, displaying real-time and long distance communication of data . Therefore , the system provides a reference to the application of field devices .

Key words: MSP430; CAN bus; I/O modules; communication interface

隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，許多工業(yè)現場設備控制逐漸向集成化方向發(fā)展。利用MSP430單片機構成現場設備的控制節(jié)點，不僅可以完成數據的采集和處理、而且可完成數據的運算處理和數據輸出等功能，增加了現場一級的控制功能，現場節(jié)點得到的數據通過現場總線傳送到控制室的計算機上，通過計算機實時監(jiān)視各個儀表的運行狀況，并可以保存控制節(jié)點上傳來的數據。通過使用CAN現場總線，使用戶可以大量減少繁雜的現場接線，而且傳輸速度快，傳輸距離遠，通訊可靠。系統(tǒng)集成度得到改善，維護十分方便。

1系統(tǒng)總體結構

該系統(tǒng)設計了一種以單片機為底層核心，采集現場的數字量、模擬量[1]。并將采集的數據經過處理運算，利用CAN總線接口輸出給上位機[2]，上位機采用傳統(tǒng)的計算機，這樣方便軟件進行數據處理。同時具有極限報警功能，LED燈、LCD顯示屏顯示輸入輸出信息的狀態(tài)，有助于對設備進行監(jiān)控。電源模塊為各部分提供電源。系統(tǒng)的總體結構如圖1所示。

圖1系統(tǒng)總體結構

2硬件平臺設計

2.1節(jié)點控制單元

系統(tǒng)的節(jié)點控制器負責協調各個部分良好工作，考慮到系統(tǒng)需要用到4路數字量的輸入和輸出，4路模擬量輸入和輸出，LCD的顯示，同時需要控制CAN總線控制器SJA1000，這些需要占用較多的I/O端口，于是輸入輸出系統(tǒng)的節(jié)點控制器采用了TI公司的16位MSP430F149單片機[3]，該型號單片機具有的I/O端口可以很好的滿足該設計要求，同時功耗較低也是其它單片機所無法比擬的。MSP430F149單片機的基本特性：

具有16位的RISC結構，內核指令系統(tǒng)簡潔，執(zhí)行指令快，處理功能強；穩(wěn)定工作電壓在1.8~3.6V之間；靈活的時鐘設置，有主系統(tǒng)時鐘（MCLK）、輔助時鐘（ACLK）、子系統(tǒng)時鐘（SMCLK）；內置了豐富的片內資源：片內提供溫度傳感器和12位的模數轉換模塊（ADC）；6組可配置第二功能的I/O端口，每個引腳可單獨配置成輸入輸出，其中有兩個端口具有中斷功能。

較多的片內存儲器，該系列單片機擁有60KB的片內FLASH，同時提供較多的片內RAM；使用JTAG實現程序的代碼下載，程序的運行及調控，通過該接口實現仿真調試功能，可以大大簡化調試過程。

2.2 CAN總線接口設計

CAN控制器局域網是一種新型的串行總線。CAN總線可形成底層網絡，完成現場自動化設備之間的多點數字通信，實現底層現場設備之間及生產現場與外界信息的交換，數據通信具有突出的可靠性、實時性、靈活性。

SJ1000是一種獨立的的CAN控制器。全面支持CAN2.0B協議，通信速率可達1Mbps，支持11位和29位標識碼，可編程的輸出設置，具有BasicCAN和PeliCAN兩種工作模式。該文采用PeliCAN模式，PeliCAN模式有很多寄存器，共同作用完成其功能。收發(fā)

器PCA82C250CAN總線收發(fā)器提供了CAN控制器與物理總線之間的接口，具有三種工作模式，高速模式、低速模式、待機模式。控制器與收發(fā)器共同組成一個CAN總線通訊結構。

在系統(tǒng)硬件接口設計時，由于所選的MSP430單片機的P1口和P2口具有中斷功能，而其余的端口沒有中斷功能的，故選用P4口作為數據和地址總線對控制器進行數據和地址的操作，選用P3口的部分管腳來進行對控制器的讀寫和使能操作，同時通過P2.0所具有的中斷功能來對控制器的中斷進行響應。[4-5]電路如圖2所示。

為了避免直接的電氣或物理連接，SJA1000控制器并不是直接與82C250收發(fā)器相連，這里使用了光耦合器6N137，不但可以把信息的發(fā)出端和接收端電絕緣，可以對地電位差有很強的抗干擾能力，而且有抑制電磁干擾的能力。這些部分雖然增加了節(jié)點的復雜性，但是很大程度上提高了節(jié)點的安全性和穩(wěn)定性。

圖2 CAN接口電路

MSP430單片機采用1.8V~3.6V低壓供電，而SJ1000控制器是5V電壓供電，這兩者之間進行數據交換時，兩者之間存在著電平邏輯問題。這里采用74LVC4245雙電源電平移位器，雙電源保證兩邊端口的輸出擺幅部能達到滿電源幅值，并且有很強的噪聲抑制性能。

2.3電源模塊

系統(tǒng)微處理器MSP430單片機采用3.3V供電，而一般情況提供的是5V電壓。所以設計中使用了TPS76033芯片，得到紋波小和穩(wěn)壓穩(wěn)定的輸出電壓。

2.4數字量輸入

數字量的輸入模塊一般是開關量形式的電壓、電流，這些信號經常會產生瞬時高壓、過電流或接觸抖動。該文4路數字量以24VDC，4mA的形式輸入，為了使輸入信號安全可靠，在此采用了光電隔離，對外部信號進行濾波，電平轉換和隔離保護。這里為保證其可靠性采用了芯片TLP521。電路如圖3所示。

2.5模擬量的輸入輸出

本系統(tǒng)設計4路模擬量的輸入，MSP430F149單片機自帶12位的模數轉換模塊ADC12，可以很方便的實現模擬信號的采集。選擇單片機的P6口作為4路模擬量的輸入端口。同時系統(tǒng)擁有4路模擬量的輸出，這里采用了ADI公司生產的AD664芯片，該芯片集成了4路完整的12位電壓型輸出DAC，并且每路均具有雙緩沖鎖存結構和回路讀取功能，各端口可以通過數字I/O端口編程，此芯片能夠較好的完成模擬量的輸出功能。

2.6數字量的輸出

數字量的輸出模塊要求能去驅動某些大功率設備，本設計系統(tǒng)中有4路數字量的輸出，所以信號先經過ULN2803放大后，再由繼電器進行輸出，使輸出能控制220VAC的設備。

圖3數字量輸入

圖4數字量輸出

2.7顯示和報警

利用LCD顯示屏顯示模擬量的輸入輸出數據、系統(tǒng)的時間等，LCD顯示屏功耗低、顯示信息量大，壽命長和抗干擾能力強，已得到大量的使用。系統(tǒng)采用了12864液晶屏，體積小、重量輕、接口簡單。數字量輸入輸出使用LED燈進行實時的顯示，方便了現場操作人員的觀察。[6]

為了設備的安全保護，這里使用了簡單可靠的蜂鳴器進行極限報警，單片機端口的驅動能力較小，加入了音頻功率放大器LM386，具有電源電壓范圍大，諧波失真小的特性。

3系統(tǒng)軟件設計

該文設計的系統(tǒng)主要是數據的采集和輸出，以及數據的通信。在設計中使用了微處理器作為節(jié)點控制核心，所以軟件設計是很重要的。為了增加程序的可維護性與可移植性，采用了C語言編寫，其編寫的程序結構緊湊，效率較高。為了完成系統(tǒng)任務，其軟件設計采用模塊化設計思想，主要包括以下幾部分：初始化程序、主處理模塊、數據采集程序、顯示程序，CAN報文的發(fā)送和接收。

3.1主處理模塊

主程序模塊流程圖如圖5所示。系統(tǒng)上電復位后，首先進入初始化程序，然后等待定時器的中斷到來。進入中斷后，對采集到的數據進行處理，然后發(fā)送給CAN接口，通過CAN總線將數據送到上位機。

3.2上電初始化

在系統(tǒng)上電復位之后需要對系統(tǒng)進行初始化，包括單片機的初始化和CAN控制器的初始化。單片機的初始化主要是端口的初始化、看門狗設置以及定時器初始化。CAN控制器SJA1000的初始化是在復位的模式下進行，在期間設置波特率，通過對時鐘分頻寄存器，驗收代碼寄存器，接收屏蔽寄存器，總線定時器和輸出控制寄存器進行配置，在配置完成后回到工作狀態(tài)，進行正常的通信任務。

3.3 CAN發(fā)送子程序

發(fā)送子程序負責節(jié)點報文的發(fā)送。發(fā)送時只需將待發(fā)送的數據按特定的格式組合成一幀報文，送入SJA1000發(fā)送緩沖區(qū)，然后啟動發(fā)送即可。在將新報文放入緩沖器之前，主控器必須先檢查狀態(tài)寄存器的“發(fā)送緩沖器狀態(tài)標志”。如果發(fā)送緩沖器是否為空，待發(fā)送緩沖器被釋放，主控制器將新報文寫入發(fā)送緩沖器并置位命令寄存器的發(fā)送標志（TR），啟動發(fā)送。流程圖如圖6所示。

圖5主程序流程圖

圖6發(fā)送數據流程圖

4結論

基于MSP430的CAN總線的I/O模塊系統(tǒng)的設計，主要完成了數字量和模擬量的輸入輸出接口設計，并通過CAN總線實現通訊功能。其工作性能穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強，功耗低，傳輸距離遠，它必將在一些控制系統(tǒng)中及一些特殊的場合具有廣泛的用途。

參考文獻：

[1]劉銀,曾立文,廖瑞,等.基于MSP430的多參數數據采集系統(tǒng)設計[J].煤礦機械,2011,32(6):171-172.

[2] Wang Qing.The Design of Reconfigurable Remote Monitor and Control System Based on CAN Bus.Electronics and Signal Processing[J]. LNEE 972011:117-125.

[3]胡大可.MSP430系列單片機C語言程序設計與開發(fā)[M].北京:北京航空航天大學出版社,2003.

[4]葛化敏,陳永,張彭程.基于CAN總線和MSP430的CO紅外檢測系統(tǒng)設計[J].電子設計工程,2009(12):32-34.

[5]袁立大,馬洪連.輕軌列車改造項目中基于MSP430與SJA1000的CAN總線通信節(jié)點設計[J].軟件,2010,31(12):65-69.

[6] Wu Qiyan,Miao Changyun,Wu Zhigang.The Design of Voice Alarm Terminal Based on MSP430. ICAIC(2011),Part II,CCIS 225,140-147(2011).