制造行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)是更快、更高效和更靈活，為此制造商們正在努力實(shí)現(xiàn)開(kāi)放式分布控制架構(gòu)。工業(yè)CAN I/O模塊包含8個(gè)模擬輸入、16個(gè)數(shù)字輸入、16個(gè)數(shù)字輸出，以及一個(gè)兼容高速CAN收發(fā)器2.1 A/B的控制器和可選的RS232/RS485收發(fā)器。該方案基于飛思卡爾的16位MC9S12DP256微控制器單元。CAN物理收發(fā)器有兩個(gè)可行的替代產(chǎn)品，一個(gè)是容錯(cuò)CAN接口MC33388,一個(gè)是帶多輸出電源的高速CAN MC33394.CAN接口與ISO 118?8兼容，允許數(shù)據(jù)傳送速率為500kbps.數(shù)字輸入用的是開(kāi)關(guān)監(jiān)視接口MC33884芯片，數(shù)字輸出用低端功率開(kāi)關(guān)器件MC33298實(shí)現(xiàn)。

　　本文討論的模塊可以用作高層通信協(xié)議軟件開(kāi)發(fā)的硬件平臺(tái)。另外，該模塊可以用于用戶軟件的實(shí)現(xiàn)和測(cè)試。基于這一目的，電路板需要配備重新編程和調(diào)試用的后臺(tái)調(diào)試模式（BDM）接口。工業(yè)CAN I/O模塊從邏輯上分成基板、電源和I/O板三個(gè)基本電路板。板與板之間的數(shù)據(jù)傳送由串行外設(shè)接口（SPI）協(xié)議保證。

　　基板的組成

　　工業(yè)CAN I/O模塊中基板的主要功能是對(duì)模塊實(shí)施控制，并與系統(tǒng)控制單元進(jìn)行通信。基板配備有8個(gè)模擬通道。基板從邏輯上又可以分成微控制器模塊、CAN接口、模擬輸入和RS232_485接口4個(gè)模塊。

　　a.微控制器模塊

　　微控制器是將微型計(jì)算機(jī)的主要部分集成在一個(gè)芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)。微控制器誕生于20世紀(jì)70年代中期，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，其成本越來(lái)越低，而性能越來(lái)越強(qiáng)大，這使其應(yīng)用已經(jīng)無(wú)處不在，遍及各個(gè)領(lǐng)域。例如電機(jī)控制、條碼閱讀器/掃描器、消費(fèi)類電子、游戲設(shè)備、電話、HVAC、樓宇安全與門(mén)禁控制、工業(yè)控制與自動(dòng)化和白色家電（洗衣機(jī)、微波爐）等。微控制器（Microcontroller Unit,即MCU）可從不同方面進(jìn)行分類：根據(jù)數(shù)據(jù)總線寬度可分為8位、16位和32位機(jī)；根據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)可分為Harvard結(jié)構(gòu)和Von Neumann結(jié)構(gòu)；根據(jù)內(nèi)嵌程序存儲(chǔ)器的類別可分為OTP、掩膜、EPROM/EEPROM和閃存Flash;根據(jù)指令結(jié)構(gòu)又可分為CISC（Complex Instruction Set Computer）和RISC（Reduced Instruction Set Computer）微控制器。

　　16 位MC9S12DP256微控制器單元（MCU）是基板的主要組成部分。工業(yè)CAN I/O模塊使用了內(nèi)嵌于MCU 的5個(gè)CAN外設(shè)之一（CAN0）。根據(jù)BOSCH規(guī)范的定義，該外設(shè)是一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)CAN 2.0A/B協(xié)議的通信控制器。CAN外設(shè)是MSCAN（摩托羅拉可伸縮CAN）的一種特定實(shí)現(xiàn)。它使用了2個(gè)外部引腳，一個(gè)輸入（RxCAN0）和一個(gè)輸出（TxCAN0）通過(guò)CAN收發(fā)器與CAN總線進(jìn)行通信。一個(gè)輸出信號(hào)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN收發(fā)器芯片的控制。

　　如上所述，板之間的數(shù)據(jù)傳送是由SPI協(xié)議保證的。SPI模塊可以實(shí)現(xiàn)MCU與外設(shè)之間的全雙工串行通信。工業(yè)CAN I/O模塊使用了MCU的3個(gè)SPI外設(shè)中的一個(gè)（SP0）。該 SPI可以被配置為主模式或從模式。SPI0外設(shè)必須選擇主模式，因?yàn)橹挥兄鱏PI才能發(fā)起到外設(shè)的傳送。

　　工業(yè)CAN I/O模塊使用了內(nèi)嵌于MCU的兩個(gè)8通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的一個(gè)（AN0）。A/D模塊執(zhí)行模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，該模塊包含了簡(jiǎn)單模數(shù)轉(zhuǎn)換所必需的模塊和數(shù)字電子電路。A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率（8位或10 位）是可編程選擇的。在工作電壓為5V時(shí)，模塊可以接受5V輸入而不會(huì)導(dǎo)致性損壞。

　　基板上有一個(gè)8位DIP開(kāi)關(guān)，用于配置節(jié)點(diǎn)地址（節(jié)點(diǎn)識(shí)別號(hào)）以及CAN速度。與主機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的單線通信是通過(guò)用片上硬件實(shí)現(xiàn)的BDM系統(tǒng)完成，與目標(biāo)系統(tǒng)的連接通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的6引腳BDM連接器實(shí)現(xiàn)。

　　b.CAN接口

　　CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network, CAN）的簡(jiǎn)稱，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車(chē)電子產(chǎn)品著稱的德國(guó)BOSCH公司開(kāi)發(fā)了的，并終成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898）。是國(guó)際上應(yīng)用廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。 在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車(chē)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車(chē)和重工機(jī)械車(chē)輛設(shè)計(jì)的J1939協(xié)議。近年來(lái)，其所具有的高可靠性和良好的錯(cuò)誤檢測(cè)能力受到重視，被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)和振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境。

　　每個(gè) CAN節(jié)點(diǎn)是通過(guò)收發(fā)器芯片實(shí)現(xiàn)與CAN總線的物理連接。收發(fā)器能夠驅(qū)動(dòng)CAN總線所需要的大電流，并具有隔離故障CAN或故障站的電流保護(hù)功能。基板上的CAN收發(fā)器有兩個(gè)可選項(xiàng)：一個(gè)是使用容錯(cuò)CAN接口MC33388;另一個(gè)使用MC33394器件的高速CAN收發(fā)器部分。模塊使用MC33394器件的高速CAN收發(fā)器部分，同時(shí)也是電源板的一部分。

　　c.模擬輸入

　　模塊共提供了8個(gè)模擬通道。在每個(gè)模擬通道的輸入部分都有一個(gè)衰減斜率是-40dB/dec、截止頻率為1kHz的無(wú)源低通濾波器。輸入濾波器用于濾除在采樣之前引入的高頻噪聲和干擾。模擬通道可以被配置為電壓或電流模式。250歐姆電阻為4到20mA的電流環(huán)路提供電流檢測(cè)和實(shí)用的過(guò)流保護(hù)。模擬通道的電壓輸入如信號(hào)的范圍是0到10V、0到5V以及-5V到+5V、-2.5V到+2.5V,電流范圍是4到20mA.輸入范圍由微控制器控制。

　　d.RS232_485接口

　　RS-232-C是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA（Electronic Industry Association）制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。RS是英文"推薦標(biāo)準(zhǔn)"的縮寫(xiě)，232為標(biāo)識(shí)號(hào)，C表示修改次數(shù)。RS-232-C總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有25條信號(hào)線，包括一個(gè)主通道和一個(gè)輔助通道。在多數(shù)情況下主要使用主通道，對(duì)于一般雙工通信，僅需幾條信號(hào)線就可實(shí)現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，驅(qū)動(dòng)器允許有2500pF的電容負(fù)載，通信距離將受此電容限制，例如，采用150pF/m的通信電纜時(shí)，通信距離為15m;若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS-232屬單端信號(hào)傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問(wèn)題，因此一般用于20m以內(nèi)的通信。

　　基板提供了一個(gè)用于連接PC或類似主機(jī)的RS232接口，以及一個(gè)用于工業(yè)應(yīng)用的RS485接口。

　　電源板

　　電源板能夠提供工業(yè)CAN I/O模塊所需的所有電源。

　　電源板的主器件是一個(gè)帶高速CAN收發(fā)器的多輸出電源集成電路PC33394.該器件內(nèi)置有開(kāi)關(guān)型整流器，可提供預(yù)調(diào)節(jié)的輸出，后面緊跟一個(gè)低壓降輸出 （LDO）調(diào)節(jié)器。并應(yīng)用并沒(méi)有用到PC33394的全部功能。內(nèi)部開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器集成了實(shí)現(xiàn)降壓/生壓整流器的電路。該電路眼板上只實(shí)現(xiàn)了降壓調(diào)節(jié)器。回掃轉(zhuǎn)換器提供對(duì)稱的電壓為模塊的模擬通道供電。變壓器輸出電壓經(jīng)整流后由線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生一對(duì)稱的+12V、-12V輸出電壓。

　　高速CAN收發(fā)器的物理層將微控制器的CMOS輸出及差分總線相接。CAN驅(qū)動(dòng)器具有短路保護(hù)功能，可以容許失去電池或接地條件。

　　I/O板

　　I/O板提供16個(gè)數(shù)字輸入和16個(gè)數(shù)字輸出。I/O板通過(guò)連接器連接到基板。從邏輯上I/O板可以分成數(shù)字輸入和數(shù)字輸出兩個(gè)基本模塊。

　　a.輸入模塊

　　板上有2個(gè)開(kāi)關(guān)監(jiān)測(cè)接口器件MC33884,它們提供了電子開(kāi)關(guān)和微控制器之間的接口。MC33884監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中使用的多個(gè)外部開(kāi)關(guān)的開(kāi)/關(guān)狀態(tài)。該器件提供開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的上拉和下拉電流，同時(shí)監(jiān)測(cè)輸入電壓電平。所有輸入電路都能防止輸入端使用的靜態(tài)放電電容引起的瞬態(tài)。

　　MC33884可運(yùn)行在以下4種模式中的一種：睡眠、正常、輪詢和輪詢+INT定時(shí)器。所有工作模式都可以通過(guò)SPI控制進(jìn)行編程，SPI命令的響應(yīng)將返回開(kāi)關(guān)狀態(tài)和模式設(shè)置。

　　該模塊使用4個(gè)可編程開(kāi)關(guān)到地或電池感應(yīng)輸入，以及每個(gè)MC33884的4個(gè)開(kāi)關(guān)到地的感應(yīng)輸入。板上的MC33884以并行方式配置使用。

　　b.輸出模塊

　　板上的2個(gè)低端電源開(kāi)關(guān)MC33298能使MCU直接控制各種感性或白熱負(fù)載。板上的器件也可通過(guò)SPI控制進(jìn)行編程，并以并行配置方式使用。SPI命令的響應(yīng)將返回器件輸出開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。發(fā)光二極管D1到D16也反映器件的輸出開(kāi)關(guān)狀態(tài)。LED閃爍表示開(kāi)狀態(tài)。

　　應(yīng)用介紹

　　設(shè)計(jì)工業(yè)CAN I/O板樣板的目的是要展示模塊在利用CAN連接性的主要特性。對(duì)于msCAN外設(shè)模塊來(lái)說(shuō)，msCAN驅(qū)動(dòng)程序軟件已成功用來(lái)創(chuàng)建初始化和可讀性更高的應(yīng)用例程，而總的循環(huán)時(shí)間能夠得到顯著減少。

　　模塊從上層器件接收配置信息，并返回輸入/輸出的狀態(tài)，表1列出了模塊的所有事件。工業(yè)CAN I/O模塊參考設(shè)計(jì)提供了基于飛思卡爾HCS12和APD器件的工業(yè)CAN的應(yīng)用描述，可以參看飛思卡爾網(wǎng)站。