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基於HCS12和類比元件的工業CAN I/O模組設計

上網時間: 2005年05月20日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:控制器區域網路  模組  收發器  微控制器  後台除錯模式 

製造工業的發展趨勢是更快、更高效和更靈活,為此製造商們正努力實現開放式分散控制架構。本文討論了工業CAN I/O模組方案,同時介紹了I/O模組的模組化概念,並對所有組成部份作了詳細描述。

工業CAN I/O模組包含8個類比輸入、16個數位輸入、16個數位輸出,以及一個相容高速CAN收發器2.1 A/B的控制器和可選的RS232/RS485收發器。該方案基於飛思卡爾的16位元MC9S12DP256微控制器單元。CAN實體收發器有兩個可行的替代產品,一個是容錯CAN介面MC33388,一個是帶多輸出電源的高速CAN MC33394。CAN介面與ISO 11898相容,允許最大數據傳送速率為500kbps。數位輸入用的是開關監視介面MC33884晶片,數位輸出用低階功率開關元件MC33298實現。

圖1:工業CAN I/O模組架構圖。

本文討論的模組可以作為高層通訊協定軟體開發的硬體平台。另外,該模組可以用於用戶軟體的實現和測試。基於這一目的,電路板需要配備重新編程和除錯用的後台除錯模式(BDM)介面。模組圖如圖1所示。

工業CAN I/O模組是一個模組化系統,它從邏輯上分成基板、電源和I/O板三個基本電路板。板與板之間的數據傳送由串列週邊設備介面(SPI)協議保證。

基板的組成

工業CAN I/O模組中這一部份的主要功能是對模組實施控制,並與系統控制單元進行通訊。基板配備有8個類比通道。基板架構圖如圖2所示。

基板從邏輯上又可以分成微控制器模組、CAN介面、類比輸入和RS232_485介面4個基本模組。

a. 微控制器模組

16位元MC9S12DP256微控制器單元(MCU)是基板的主要組成部份。

工業CAN I/O模組使用了內嵌於MCU的5個CAN週邊設備之一(CAN0)。根據BOSCH規格的定義,該週邊設備是一個用於實現CAN 2.0 A/B協議的通訊控制器。CAN週邊設備是MSCAN(摩托羅拉可擴充CAN)的一種特定實現。它使用了2個外部接腳,一個輸入(RxCAN0)和一個輸出(TxCAN0)通過CAN收發器與CAN匯流排進行通訊。一個輸出訊號用於實現對CAN收發器晶片的控制。

如上所述,板與板之間的數據傳送是由SPI協議保證的。SPI模組可以實現MCU與週邊設備之間的全雙工串列通訊。工業CAN I/O模組使用了MCU的3個SPI週邊設備中的一個(SPI0)。該SPI可以被配置為主模式或從模式。SPI0週邊設備必須選擇主模式,因為只有主SPI才能發起到週邊設備的傳送。

工業CAN

I/O模組使用了內嵌於MCU的兩個8通道類比數位轉換器中的一個(AN0)。A/D模組執行類比到數位的轉換,該模組包含了簡單類比數位轉換所必需的模組和數位電子電路。A/D轉換器的解析度(8位元或10位元)是可程式選擇的。在工作電壓為5V時,模組可以接受5V輸入而不會導致永久性損壞。

圖2:基板架構圖。

基板上有一個8位元DIP開關,用於配置節點地址(節點識別號)以及CAN速度。與主機開發系統的單線通訊是通過用片上硬體實現的後台除錯模式(BDM)系統完成,與目標系統的連接是通過標準的6接腳BDM連接器實現。

b. CAN介面

每個CAN節點是通過收發器晶片實現與CAN匯流排的實體連接。收發器能夠驅動CAN匯流排所需的大電流,並具有隔離故障CAN或故障站的電流保護功能。基板上的CAN收發器有兩個可選項:一個是使用容錯CAN介面MC33388;另一個是使用MC33394元件的高速CAN收發器部份。模組使用MC33394元件的高速CAN收發器部份,同時也是電源板的一部份。

c. 類比輸入

模組提供了8個類比通道。在每個類比通道的輸入部份都有一個衰減斜率是-40dB/dec、截止頻率為1kHz的被動低通濾波器。輸入濾波器用於濾除在採樣之前導入的高頻噪音和干擾。

類比通道可以被配置為電壓或電流模式。250歐姆電阻為4到20mA的電流迴路提供電流檢測和實用的過流保護。類比通道的電壓輸入訊號的範圍是0到10V、0到5V、-5V到+5V、-2.5V到+2.5V,電流範圍是4到20mA。輸入範圍由微控制器控制。

d. RS232_485介面

基板提供了一個用於連接PC或類似主機的RS-232介面,以及一個用於工業應用的RS-485介面。

電源板

電源板能夠提供工業CAN I/O模組所需的所有電源。

電源板的主元件是一個帶高速CAN收發器的多輸出電源積體電路PC33394。該元件內建有開關型整流器,可提供預調節的輸出,後面緊跟一個低壓降輸出(LDO)調節器。本應用並沒有用到PC33394的全部功能。

內部開關調節器整合了實現降壓或降壓/升壓整流器的電路。該電路板上只實現了降壓調節器。回掃轉換器提供對稱的電壓為模組的類比通道供電。變壓器輸出電壓經整流後由線性穩壓器產生一對稱的+12V、-12V輸出電壓。

高速CAN收發器的實體層將微控制器的CMOS輸出及差分匯流排相接。CAN驅動器具有短路保護功能,可以容許失去電池或接地條件。

表1:所有的事件描述。

I/O板

I/O板提供16個數位輸入和16個數位輸出。I/O板通過連接器J1連接到基板。從邏輯上I/O板可以分成數位輸入和數位輸出兩個基本模組。

a. 輸入模組

板上有2個開關監測介面元件MC33884,它們提供了電子開關和微控制器之間的介面。MC33884監測系統中使用的多個外部開關的開/關狀態。該元件提供開關觸點的上拉和下拉電流,同時監測輸入電壓電平。所有輸入電路都能防止輸入端使用的靜態放電電容器引起的瞬態。

MC33884可以執行在以下4種模式中的一種:睡眠、正常、輪詢和輪詢+INT定時器。所有工作模式都可以通過SPI控制進行編程,SPI命令的響應將返回開關狀態和模式設置。

該模組使用4個可程式開關到地或電池感應輸入,以及每個MC33884的4個開關到地的感應輸入。板上的MC33884以平行方式配置使用。

b. 輸出模組

板上的2個低階電源開關MC33298能使MCU直接控制各種感性或白熱負載。板上的元件也可通過SPI控制進行編程,並以平行配置方式使用。SPI命令的響應將返回元件輸出開關的狀態。發光二極體D1到D16也反映元件的輸出開關狀態。閃爍的LED表示開狀態。

應用介紹

設計工業CAN I/O板樣板的目的是要展示模組在利用CAN連接性的主要特性。對於msCAN週邊設備模組來說,msCAN驅動程式軟體(可從Metrowerks獲得)已成功用來製作初始化和可讀性更高的應用例程,而總的循環時間能夠得到顯著減少。

模組從上層元件接收配置資訊,並返回輸入/輸出的狀態,表1列出了模組的所有事件。工業CAN I/O模組參考設計提供了基於Freescale HCS12和APD元件的工業CAN的應用描述,可以從Freescale網站免費獲取。

作者:Jaromir Chocholac


Email: jaromir.chocholac@freescale.com


Zdenek Kaspar


Email: zdenek.kaspar@freescale.com


飛思卡爾半導體公司





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