C8051F040的车用CAN总线智能节点设计

电气与电子系统是车辆的重要组成部分，其工作状态直接影响车辆的性能。按照传统设计思想设计车辆电气系统时，往往采取堆积各种子系统的途径来提高系统的性能，因此车辆内部各子系统之间单纯面向任务而不考虑与全局的关系。随着子系统及装置数量不断增加，传统设计方法遇到了一系列问题：线路增多、布线复杂、电磁干扰增加、系统可靠性下降、检查维修困难等。为了解决上述问题，现代车辆采用了综合电子系统。总线是综合电子系统的基础，通过总线节点，综合电子系统可采集、使用、分配和共享车内所有电子系统的各种信息，达到弱化矛盾、增强整体功能的目的。CAN总线由于具有性价比高、可靠性高、实时性好、灵活性强等特点，得到广泛应用。本文针对CAN总线，提出了一种基于C8051F040的通用总线智能节点的设计方法。

1 总体设计
本文采用C8051F040单片机作为智能节点的主控芯片来设计CAN总线通用智能节点。智能节点通过现场信号调整、高速数据采集获取该节点下设备的参数，并通过总线收发器将数据发送到CAN总线，同时根据参数及总线上的其他信息和命令对设备进行控制。通过CAN总线智能节点，可将车辆电气系统各子系统及设备紧密联系在一起，构成一个实时控制网络，如图1所示。

考虑到智能节点的通用性，经过对车辆各子系统和设备参数进行分析，确定了智能节点主要指标。
①信号输入：8路模拟信号输入，16路数字信号输入，2路脉冲量输入；
②控制信号输出：2路模拟控制信号输出，8路数字信号输出；
③CAN总线接口：1个CAN总线接口(支持CAN2．0A和CAN2．0B)。

2 硬件设计
CAN总线节点有两种设计方法，一种采用通用微控制器结合独立CAN控制器加上收发器，另一种采用集成CAN控制器的微控制器结合CAN收发器。本文采用第二种设计方法，选用1片C8051F040单片机作为智能节点的主控芯片。主控芯片内部集成CAN控制器，兼容CAN2．0A和CAN2．0B，配合总线收发器后可完成CAN通信。此外，主控芯片还使用内部集成的A／D转换器完成对模拟信号的采集，同时向被控设备输出模拟和数字控制信号。主控芯片各种资源的相关情况见参考文献。
智能节点的硬件系统包括：模拟信号采集电路、开关信号采集电路、开关信号输出、LCD电路、CAN总线电路等。硬件原理框图如图2所示。

2．1 模拟信号采集电路
模拟信号采集电路用于采集受控设备输出的模拟信号。该电路由模拟信号调整电路、SPI总线A／D转换器MCP3208、高速光电耦合器2801以及外围电路组成，其电路原理图如图3所示。

模拟信号调整电路可用于测量模拟电压信号、模拟电流信号以及电阻信号。以连接到MCP3208第1通道的电路为例：当R2断开，R4和R1连接适当阻值的电阻时，该电路可用于测量模拟电压信号；当R2断开，R4短路，R1连接采样电阻时，该电路可用于测量模拟电流信号；当R1断开，R4短路，R2连接适当阻值的电阻时，该电路可用于测量电阻信号。R5与二极管D1和D2组成保护电路。R6、R9及C4组成分压和滤波电路。
为了保证系统稳定、可靠工作，控制模块的数字地与模拟地严格分开。因此，模块没有使用C8051F040内部集成的A／D转换器，而是使用外部SPI总线A／D转换器MCP3208。MCP3208是12位逐次逼近型模／数转换器，具有片上采样和保持电路。该A／D转换器使用与SPI协议兼容的简单串行端口与主控芯片相连，转换速率可高达100 ksps。主控芯片C8051F040是8位单片机，其SPI端口要求以8位数据为一组来收发数据。同时，为了与MCP3208通信，将主控芯片SPI口设置为主方式，时钟下降沿输出数据，时钟上升沿锁存数据。
设计中，8路模拟信号经调整后与MCP3208的8个模拟输入端相连。A／D转换器的电源与参考电压输入端通过电感L1与5 V电源相连，模拟地通过电感L2与5 V电源地相连，以减小电源扰动对A／D转换的影响。同时，MCP3208的SPI接口与单片机之间也使用光电耦合器隔离，从而保证数字地与模拟地严格分开。图中只给出了MOSI与MISO光耦隔离的原理图，SCLK与CS隔离的原理相同。
2．2 开关信号采集电路
开关信号采集电路用于采集受控设备输出的开关信号。该电路由光电耦合器2801及其外围电路组成，其电路原理图如图4所示。当外部开关信号的高电平信号接于开关信号采集电路输入端时，光耦内部发光二极管工作，光敏三极管导通，光电耦合器输出低电平信号。主控芯片通过I／0口扫描光电耦合器输出端即可采集开关信号。R1、R2、C1组成输入分压滤波电路。

2．3 CAN总线接口电路
由于C805lF040内部集成了CAN总线控制器，外电路中只要设置总线收发器即可完成通信。CAN总线接口电路用于完成CAN总线通信，由总线收发器VP251、光电耦合器0211及外围电路组成，其电路原理图如图5所示。