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摘要：本文笔者结合自己多年从事通信设计的工作经验，主要阐述了C8051F043自带CAN控制器结构与工作原理，及对监控系统通信模块的设计做出了探讨。
关键词：变电站；工作原理；检测系统；通信设计
1 C8051F043自带CAN控制器结构与工作原理
C8051F043是具有25MIPS、64 KBFlash、10bitADC，带有CAN控制器的高速8位单片机。其自带的CAN 控制器支持CAN 技术规范V2.0A／B；并能够发送按接收标准的和扩展的信息帧，同时具有接收滤波和信息管理功能，最高数据传输速率可达1Mbit／s，所构成的CAN总线节点可直接与CAN 总线上的其他微控制单元（MCU）通信。Silicon Labs CAN是一个协议控制器，不提供物理层驱动器（即收发器），其内部含有4个发送缓冲器、4个接收缓冲器。同时还具有灵活的中断管理能力，这些特点使得MCU对CAN总线的操作变得非常简便。
C8051F043所含CAN控制器包含1个CAN核、消息RAM（独立于CIP-51的RAM）、消息处理状态机和控制寄存器组以及波特率预分频器BRP（Baud Rate Prescaler）。其中CAN控制器核心负责与CAN 总线的接口和通信，消息RAM、寄存器组以及消息处理器用来实现CAN 总线通信模式控制以及操作控制，其控制器如图1所示。
1.1 CAN控制器工作模式
C8051F043自带的CAN控制器可以工作在测试模式和正常模式2种状态，可通过简单设置CAN控制寄存器（CAN0CN）的Test位来设置。其中在测试模式下又有4 种模式：静音模式、回路模式、静音回路模式和基本模式。在测试模式下，可以通过TX1和TX0位控制TX 的输出控制。
1.2 收发操作
CAN总线控制器的發送流程是：首先对接口寄存器IFx命令掩码寄存器进行赋值，指定发送方向和字节数；其次，对IFxAR进行赋值，指定标准帧或远程帧；最后对发送请求寄存器TxRqst进行赋值，确认对32个消息对象中的哪一个进行操作。其中，控制器有32个消息对象，因而CAN 控制器可以管理32个消息对象报文发送。如果取消对消息对象的发送，只能通过IFx 消息控制寄存器进行操作，而不能对发送请求寄存器进行操作。CAN总线控制器的接收流程和发送大体致，不过最后接收的数据存放在新数据寄存器中。
1.3 中断管理
CAN控制器有4个中断源，包括发送中断、接收中断、错误中断及总线唤醒中断等。利用对CAN控制寄存器的EIE、SIE、IE等位进行设置，可方便实现对各种中断的有效管理。当有中断发生时，将引发C8051F043 的第19号中断，可在中断服务子程序里面对不同的中断进行响应。
1.4 错误检测
CAN协议具有CRC错误、应答错误、形式错误、位错误和填充错误等检测功能。C8051F043所带CAN控制器包含错误计数寄存器。其中接收出错计数器REC（Receive Error Counter）范围在0～127之间；发送出错计数器TEC值范围0～255之间。因而对于网络中的任何一个节点而言，都有可能因为错误计数器的数值不同而使其处于错误－激活、错误－认可和总线－脱离3种状态。
2 监控系统通信模块设计
2.1 监控系统总体结构
监控系统由控制台工作站、CAN主控制器、智能终端等组成。其中CAN主控制器由C8051F043和CAN总线收发器SN65HVD230组成，智能节点可实现交流电压、电流信号、频率等电能质量参数的采集、控制与处理，对变电站线路电能质量进行监控，然后通过CAN 主控制器将数据传递到控制台工作站。系统结构如图2所示。
图2 CAN总线网络系统结构框图
这种网络拓扑结构采用了总线式结构，且结构简单、成本低，采用无源抽头连接，因此可靠性较高。其信息传输采用CAN通信协议，通信介质采用双绞线。由于CAN总线是基于发送报文的编码，它不对CAN控制节点进行编码，故系统的可扩充性比较好，同时增删CAN总线上的控制节点不会对系统的其余节点造成任何影响。系统采用模块化设计，对于主控制器通信节点的设计可直接应用到智能节点的设计上。该智能终端使用的数据采集模块可采集交流数据。从互感器输出的三相电压、三相电流经过信号电路转成合适的电压信号直接送到C8051F043的模拟输入端，经过内部模拟通道选择开关，进行AD转换，将转换完的数据通过CPU处理后由CAN口送至上位机。每周期采样64个点，采用FFT算法，经试验，符合系统要求。
2.2 CAN 主控制器设计
CAN主控制器不包括模拟信号采样单元和频率采样单元，其作用是对底层分布式CAN智能节点进行数据传送和命令交互，其CAN通信节点设计与智能终端在通信协议上完全兼容。本系统中通信节点采用带有CAN控制器接口的微处理器C8051F043，物理层上的CAN 总线收发器SN65HVD230则作为CAN控制器与物理总线的接口。如果需要进一步提高系统的抗干扰能力，可在SN65HVD230与物理总
线接口之间再加一个光电隔离器。其电路图如图3 所示。
2.3 通信节点软件设计
2.3.1 系统初始化
在C8051F043 所带CAN控制器正常工作之前，需要进行正确的初始化，其访问CAN 控制器的步骤一般是①：
步骤1 设置SFRPAGE 寄存器为CAN0_PAGE；
步骤2 将CAN0CN 寄存器中的INIT 和CCE 位设置为1；
步骤3 设置位定时寄存器和BRP 扩展寄存器中的时序参数；
步骤4 初始化每个消息对象或将其MsgVal 位设置为NOT VALID；
步骤5 将INIT 位清0。
2.3.2 波特率发生器参数设置
在CAN总线网络正常通信的过程中，只允许一种CAN波特率进行通信，由于CAN网络上有不同节点，各节点控制器使用的晶振不一定一致，使得波特率设置成为关乎CAN通信是否成功的首要内容。本文中C8051F043单片机采用内部晶振和外部晶振相互切换的模式。设置方便，可根据不同的波特率对寄存器BITREG进行灵活设置。其参数见表1。
表1 不同晶振和波特率下位定时寄存器设置表
2.3.3 CAN 通信收发操作
本文C8051F043CAN控制器主要采取中断模式进行总线数据的接收和发送。整个系统主序提供2 种中断即定时器中断和外部中断。定时器中断的中断子程序主要处理来自模拟通道AIN0～AIN7的A／D数据采集；发送数据发送请求命令以及数据发送。外部中断的中断处理子程序主要处理CAN总线错误处理子程序和数据接收子程序。CAN控制器收发数据流程如图4所示。
发送程序代码如下：
SFRPAGE＝CAN0_PAGE；
CAN0ADR＝IF1CMDMSK；
CAN0DAT＝0x0087；／*IF1 Command Mask Registers＝0x00878*／
CAN0ADR＝IF1DATA1；
for（num＝0；num<8；num++）／ * 将8 字节数据写入IF1* ／
｛CAN0DATH＝sdata［num］；
num++；
CAN0DATL＝sdata［num］；
CAN0ADR＝IF1CMDRQST；
CAN0DATL＝MsgNum；∥MsgNum为要写入智能节点号
接收程序代码如下：
SFRPAGE＝CAN0_PAGE；
CAN0ADR＝IF2CMDMSK；
CAN0DATL＝0x0f；
／*WR／RD＝0，Mask＝0，Arb＝0，Control＝0，ClrIntPnd＝1，NewDat＝1，DataA＝1，DataB＝1* ／
CAN0ADR＝IF2CMDRQST；
CAN0DATL＝MsgNum；∥指向MsgNum 号消息
CAN0ADR＝IF2DATA1；
for（i＝0；i<4；i++）
rdata［i］.val＝CAN0DAT；∥接收数据到相应数组
2.4 软件设计时需要注意的问题
对C8051F043中CAN控制器在初始化完成后要处于挂起状态，这就需要在初始化完后将其置为Normal模式，否则将一直停留在挂起状态下，而不能进行正常工作。可通过对CAN控制寄存器的INIT位置0操作来实现。
在通过CAN 控制器进行发送和接收之前，一定先关中断，然后对发送和接收的相关寄存器进行初始化，进而进行发送或接收。
3 结语
本文介绍了以C8051F043单片机组成变电站监控系统通信节点的设计。通过CAN 总线通信构成变电站监控控制网络，具有高性价比、实现简单等突出优点。所设计的智能通信节点可联结多个集散控制系统，其硬、软件电路的设计采用模块化的方法，因而具有可扩展性，方便以后添加和升级。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：变电站；工作原理；检测系统；通信设计
1 C8051F043自带CAN控制器结构与工作原理
C8051F043是具有25MIPS、64 KBFlash、10bitADC，带有CAN控制器的高速8位单片机。其自带的CAN 控制器支持CAN 技术规范V2.0A／B；并能够发送按接收标准的和扩展的信息帧，同时具有接收滤波和信息管理功能，最高数据传输速率可达1Mbit／s，所构成的CAN总线节点可直接与CAN 总线上的其他微控制单元（MCU）通信。Silicon Labs CAN是一个协议控制器，不提供物理层驱动器（即收发器），其内部含有4个发送缓冲器、4个接收缓冲器。同时还具有灵活的中断管理能力，这些特点使得MCU对CAN总线的操作变得非常简便。
C8051F043所含CAN控制器包含1个CAN核、消息RAM（独立于CIP-51的RAM）、消息处理状态机和控制寄存器组以及波特率预分频器BRP（Baud Rate Prescaler）。其中CAN控制器核心负责与CAN 总线的接口和通信，消息RAM、寄存器组以及消息处理器用来实现CAN 总线通信模式控制以及操作控制，其控制器如图1所示。
1.1 CAN控制器工作模式
C8051F043自带的CAN控制器可以工作在测试模式和正常模式2种状态，可通过简单设置CAN控制寄存器（CAN0CN）的Test位来设置。其中在测试模式下又有4 种模式：静音模式、回路模式、静音回路模式和基本模式。在测试模式下，可以通过TX1和TX0位控制TX 的输出控制。
1.2 收发操作
CAN总线控制器的發送流程是：首先对接口寄存器IFx命令掩码寄存器进行赋值，指定发送方向和字节数；其次，对IFxAR进行赋值，指定标准帧或远程帧；最后对发送请求寄存器TxRqst进行赋值，确认对32个消息对象中的哪一个进行操作。其中，控制器有32个消息对象，因而CAN 控制器可以管理32个消息对象报文发送。如果取消对消息对象的发送，只能通过IFx 消息控制寄存器进行操作，而不能对发送请求寄存器进行操作。CAN总线控制器的接收流程和发送大体致，不过最后接收的数据存放在新数据寄存器中。
1.3 中断管理
CAN控制器有4个中断源，包括发送中断、接收中断、错误中断及总线唤醒中断等。利用对CAN控制寄存器的EIE、SIE、IE等位进行设置，可方便实现对各种中断的有效管理。当有中断发生时，将引发C8051F043 的第19号中断，可在中断服务子程序里面对不同的中断进行响应。
1.4 错误检测
CAN协议具有CRC错误、应答错误、形式错误、位错误和填充错误等检测功能。C8051F043所带CAN控制器包含错误计数寄存器。其中接收出错计数器REC（Receive Error Counter）范围在0～127之间；发送出错计数器TEC值范围0～255之间。因而对于网络中的任何一个节点而言，都有可能因为错误计数器的数值不同而使其处于错误－激活、错误－认可和总线－脱离3种状态。
2 监控系统通信模块设计
2.1 监控系统总体结构
监控系统由控制台工作站、CAN主控制器、智能终端等组成。其中CAN主控制器由C8051F043和CAN总线收发器SN65HVD230组成，智能节点可实现交流电压、电流信号、频率等电能质量参数的采集、控制与处理，对变电站线路电能质量进行监控，然后通过CAN 主控制器将数据传递到控制台工作站。系统结构如图2所示。
图2 CAN总线网络系统结构框图
这种网络拓扑结构采用了总线式结构，且结构简单、成本低，采用无源抽头连接，因此可靠性较高。其信息传输采用CAN通信协议，通信介质采用双绞线。由于CAN总线是基于发送报文的编码，它不对CAN控制节点进行编码，故系统的可扩充性比较好，同时增删CAN总线上的控制节点不会对系统的其余节点造成任何影响。系统采用模块化设计，对于主控制器通信节点的设计可直接应用到智能节点的设计上。该智能终端使用的数据采集模块可采集交流数据。从互感器输出的三相电压、三相电流经过信号电路转成合适的电压信号直接送到C8051F043的模拟输入端，经过内部模拟通道选择开关，进行AD转换，将转换完的数据通过CPU处理后由CAN口送至上位机。每周期采样64个点，采用FFT算法，经试验，符合系统要求。
2.2 CAN 主控制器设计
CAN主控制器不包括模拟信号采样单元和频率采样单元，其作用是对底层分布式CAN智能节点进行数据传送和命令交互，其CAN通信节点设计与智能终端在通信协议上完全兼容。本系统中通信节点采用带有CAN控制器接口的微处理器C8051F043，物理层上的CAN 总线收发器SN65HVD230则作为CAN控制器与物理总线的接口。如果需要进一步提高系统的抗干扰能力，可在SN65HVD230与物理总
线接口之间再加一个光电隔离器。其电路图如图3 所示。
2.3 通信节点软件设计
2.3.1 系统初始化
在C8051F043 所带CAN控制器正常工作之前，需要进行正确的初始化，其访问CAN 控制器的步骤一般是①：
步骤1 设置SFRPAGE 寄存器为CAN0_PAGE；
步骤2 将CAN0CN 寄存器中的INIT 和CCE 位设置为1；
步骤3 设置位定时寄存器和BRP 扩展寄存器中的时序参数；
步骤4 初始化每个消息对象或将其MsgVal 位设置为NOT VALID；
步骤5 将INIT 位清0。
2.3.2 波特率发生器参数设置
在CAN总线网络正常通信的过程中，只允许一种CAN波特率进行通信，由于CAN网络上有不同节点，各节点控制器使用的晶振不一定一致，使得波特率设置成为关乎CAN通信是否成功的首要内容。本文中C8051F043单片机采用内部晶振和外部晶振相互切换的模式。设置方便，可根据不同的波特率对寄存器BITREG进行灵活设置。其参数见表1。
表1 不同晶振和波特率下位定时寄存器设置表
2.3.3 CAN 通信收发操作
本文C8051F043CAN控制器主要采取中断模式进行总线数据的接收和发送。整个系统主序提供2 种中断即定时器中断和外部中断。定时器中断的中断子程序主要处理来自模拟通道AIN0～AIN7的A／D数据采集；发送数据发送请求命令以及数据发送。外部中断的中断处理子程序主要处理CAN总线错误处理子程序和数据接收子程序。CAN控制器收发数据流程如图4所示。
发送程序代码如下：
SFRPAGE＝CAN0_PAGE；
CAN0ADR＝IF1CMDMSK；
CAN0DAT＝0x0087；／*IF1 Command Mask Registers＝0x00878*／
CAN0ADR＝IF1DATA1；
for（num＝0；num<8；num++）／ * 将8 字节数据写入IF1* ／
｛CAN0DATH＝sdata［num］；
num++；
CAN0DATL＝sdata［num］；
CAN0ADR＝IF1CMDRQST；
CAN0DATL＝MsgNum；∥MsgNum为要写入智能节点号
接收程序代码如下：
SFRPAGE＝CAN0_PAGE；
CAN0ADR＝IF2CMDMSK；
CAN0DATL＝0x0f；
／*WR／RD＝0，Mask＝0，Arb＝0，Control＝0，ClrIntPnd＝1，NewDat＝1，DataA＝1，DataB＝1* ／
CAN0ADR＝IF2CMDRQST；
CAN0DATL＝MsgNum；∥指向MsgNum 号消息
CAN0ADR＝IF2DATA1；
for（i＝0；i<4；i++）
rdata［i］.val＝CAN0DAT；∥接收数据到相应数组
2.4 软件设计时需要注意的问题
对C8051F043中CAN控制器在初始化完成后要处于挂起状态，这就需要在初始化完后将其置为Normal模式，否则将一直停留在挂起状态下，而不能进行正常工作。可通过对CAN控制寄存器的INIT位置0操作来实现。
在通过CAN 控制器进行发送和接收之前，一定先关中断，然后对发送和接收的相关寄存器进行初始化，进而进行发送或接收。
3 结语
本文介绍了以C8051F043单片机组成变电站监控系统通信节点的设计。通过CAN 总线通信构成变电站监控控制网络，具有高性价比、实现简单等突出优点。所设计的智能通信节点可联结多个集散控制系统，其硬、软件电路的设计采用模块化的方法，因而具有可扩展性，方便以后添加和升级。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。