電氣與電子系統(tǒng)是車輛的重要組成部分，其工作狀態(tài)直接影響車輛的性能。按照傳統(tǒng)設計思想設計車輛電氣系統(tǒng)時，往往采取堆積各種子系統(tǒng)的途徑來提高系統(tǒng)的性能，因此車輛內部各子系統(tǒng)之間單純面向任務而不考慮與全局的關系。隨著子系統(tǒng)及裝置數量不斷增加，傳統(tǒng)設計方法遇到了一系列問題：線路增多、布線復雜、電磁干擾增加、系統(tǒng)可靠性下降、檢查維修困難等。為了解決上述問題，現代車輛采用了綜合電子系統(tǒng)。總線是綜合電子系統(tǒng)的基礎，通過總線節(jié)點，綜合電子系統(tǒng)可采集、使用、分配和共享車內所有電子系統(tǒng)的各種信息，達到弱化矛盾、增強整體功能的目的。CAN總線由于具有性價比高、可靠性高、實時性好、靈活性強等特點，得到廣泛應用。本文針對CAN總線，提出了一種基于C8051F040的通用總線智能節(jié)點的設計方法。

1 總體設計
    本文采用C8051F040單片機作為智能節(jié)點的主控芯片來設計CAN總線通用智能節(jié)點。智能節(jié)點通過現場信號調整、高速數據采集獲取該節(jié)點下設備的參數，并通過總線收發(fā)器將數據發(fā)送到CAN總線，同時根據參數及總線上的其他信息和命令對設備進行控制。通過CAN總線智能節(jié)點，可將車輛電氣系統(tǒng)各子系統(tǒng)及設備緊密聯(lián)系在一起，構成一個實時控制網絡，如圖1所示。

    考慮到智能節(jié)點的通用性，經過對車輛各子系統(tǒng)和設備參數進行分析，確定了智能節(jié)點主要指標。
    ①信號輸入：8路模擬信號輸入，16路數字信號輸入，2路脈沖量輸入；
    ②控制信號輸出：2路模擬控制信號輸出，8路數字信號輸出；
    ③CAN總線接口：1個CAN總線接口(支持CAN2．0A和CAN2．0B)。

2 硬件設計
    CAN總線節(jié)點有兩種設計方法，一種采用通用微控制器結合獨立CAN控制器加上收發(fā)器，另一種采用集成CAN控制器的微控制器結合CAN收發(fā)器。本文采用第二種設計方法，選用1片C8051F040單片機作為智能節(jié)點的主控芯片。主控芯片內部集成CAN控制器，兼容CAN2．0A和CAN2．0B，配合總線收發(fā)器后可完成CAN通信。此外，主控芯片還使用內部集成的A／D轉換器完成對模擬信號的采集，同時向被控設備輸出模擬和數字控制信號。主控芯片各種資源的相關情況見參考文獻。
    智能節(jié)點的硬件系統(tǒng)包括：模擬信號采集電路、開關信號采集電路、開關信號輸出、LCD電路、CAN總線電路等。硬件原理框圖如圖2所示。

2．1 模擬信號采集電路
    模擬信號采集電路用于采集受控設備輸出的模擬信號。該電路由模擬信號調整電路、SPI總線A／D轉換器MCP3208、高速光電耦合器2801以及外圍電路組成，其電路原理圖如圖3所示。

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    模擬信號調整電路可用于測量模擬電壓信號、模擬電流信號以及電阻信號。以連接到MCP3208第1通道的電路為例：當R2斷開，R4和R1連接適當阻值的電阻時，該電路可用于測量模擬電壓信號；當R2斷開，R4短路，R1連接采樣電阻時，該電路可用于測量模擬電流信號；當R1斷開，R4短路，R2連接適當阻值的電阻時，該電路可用于測量電阻信號。R5與二極管D1和D2組成保護電路。R6、R9及C4組成分壓和濾波電路。
    為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠工作，控制模塊的數字地與模擬地嚴格分開。因此，模塊沒有使用C8051F040內部集成的A／D轉換器，而是使用外部SPI總線A／D轉換器MCP3208。MCP3208是12位逐次逼近型模／數轉換器，具有片上采樣和保持電路。該A／D轉換器使用與SPI協(xié)議兼容的簡單串行端口與主控芯片相連，轉換速率可高達100 ksps。主控芯片C8051F040是8位單片機，其SPI端口要求以8位數據為一組來收發(fā)數據。同時，為了與MCP3208通信，將主控芯片SPI口設置為主方式，時鐘下降沿輸出數據，時鐘上升沿鎖存數據。
    設計中，8路模擬信號經調整后與MCP3208的8個模擬輸入端相連。A／D轉換器的電源與參考電壓輸入端通過電感L1與5 V電源相連，模擬地通過電感L2與5 V電源地相連，以減小電源擾動對A／D轉換的影響。同時，MCP3208的SPI接口與單片機之間也使用光電耦合器隔離，從而保證數字地與模擬地嚴格分開。圖中只給出了MOSI與MISO光耦隔離的原理圖，SCLK與CS隔離的原理相同。
2．2 開關信號采集電路
    開關信號采集電路用于采集受控設備輸出的開關信號。該電路由光電耦合器2801及其外圍電路組成，其電路原理圖如圖4所示。當外部開關信號的高電平信號接于開關信號采集電路輸入端時，光耦內部發(fā)光二極管工作，光敏三極管導通，光電耦合器輸出低電平信號。主控芯片通過I／0口掃描光電耦合器輸出端即可采集開關信號。R1、R2、C1組成輸入分壓濾波電路。

2．3 CAN總線接口電路
    由于C805lF040內部集成了CAN總線控制器，外電路中只要設置總線收發(fā)器即可完成通信。CAN總線接口電路用于完成CAN總線通信，由總線收發(fā)器VP251、光電耦合器0211及外圍電路組成，其電路原理圖如圖5所示。

    CAN總線接口電路采用VP251作為總線收發(fā)器，該收發(fā)器主要用于單端信號與差動信號之間的相互轉換。此外，單片機最小控制電路與總線收發(fā)器之間采用光電耦合器隔離，以提高系統(tǒng)工作的可靠性。光電耦合器采用2片高速光耦O211，1片用于接收，1片用于發(fā)送。
2．4 開關信號輸出電路
    開關信號輸出電路用于向外部被控對象輸出驅動信號。該電路由光電耦合器2801組成，其電路原理圖如圖6所示。當開關信號輸出電路接收到低電平信號時，光耦內部發(fā)光二極管工作，光敏三極管導通，光電耦合器輸出低電平信號。

2．5 電源電路
    電源電路用于向其他功能電路供電。電源由輸入濾波器CXDB2、電源模塊PWB2405、三端穩(wěn)壓器AMS1117及外圍電路組成，其電路原理圖如圖7所示。

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    為了限制傳導干擾，電源模塊使用電磁干擾(EMI)濾波器CXDB2來抑制電源輸入中的傳導噪聲。輸入電源經過濾波后送入2個獨立的電源模塊PWB2405中獲得3組5 V電源。5V-2為模擬信號輸入與A／D轉換電路提供電源，5V-1向CAN總線收發(fā)器供電，5VG為模擬電源，地。VCC為采用5 V電壓的數字電路提供電源，同時向三端穩(wěn)壓器模塊AMSlll7提供電源。AMSlll7將VCC轉換為2組3．3 V電源，3．3 V-1為C8051F040內部A／D轉換器提供電源和參考電壓，3．3V-2為單片機最小控制電路提供數字電源。

3 軟件設計
3．1 主程序
    主程序流程如圖8所示。智能節(jié)點上電后，主程序首先完成系統(tǒng)初始化，主要內容包括：初始化I／0口、A／D轉換器、SPI總線、LCD、CAN總線等，然后進入循環(huán)工作狀態(tài)。程序采用掃描方式完成模擬信號采集和開關信號采集。采集得到的數據經過濾波、補償等方式處理后，通過CAN通信子程序發(fā)送到CAN總線。此外，循環(huán)工作過程中，系統(tǒng)還會通過LCD子程序顯示相關信息。

3．2 信號采集程序
    智能節(jié)點信息采集量較大，如何實現對多種、多路信號實時采集是系統(tǒng)設計的關鍵。電氣系統(tǒng)典型信號主要包括模擬信號、開關信號等。
    采集模擬信號時，利用外部12位A／D轉換器，采用軟件查詢的方式采集模擬信號并進行數字濾波處理。由于所要采集的模擬信號較多，因此必須實現采集通道動態(tài)切換；采用定時掃描C8051F040數字I／O口的方法采集數字信號。
3．3 CAN通信程序
    C8051F040內部的CAN控制器集成了用于接收及發(fā)送的所有硬件，與使用外部CAN控制器相比，可以大大減少占用CPU的時間。CAN總線接收采用中斷方式完成，發(fā)送采用查詢方式完成。CAN總線接收和發(fā)送的流程如圖9所示。

4 結論
    本文提出了一種基于C8051F040單片機的CAN總線智能節(jié)點設計方案。通過該智能節(jié)點能夠實現設備的數據采集與控制，而且根據需要加入適當算法后，還可以實現智能控制和故障診斷等功能。該智能節(jié)點已應用于某型車輛的模擬教學平臺中，通過由16個節(jié)點組成的CAN控制網絡完成了對整個平臺設備的綜合控制，性能良好。