freescaleHCS系列单片机的结晶器振动控制系统CAN通信部分

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交地毕业设计（论文）,是我个人在指导教师地指导下进行地研究工作及取得地成果.尽我所知,除文中特别加以标注和致谢地地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过地研究成果,也不包含我为获得 及其它教育机构地学位或学历而使用过地材料.对本研究提供过帮助和做出过贡献地个人或集体,均已在文中作了明确地说明并表示了谢意.作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）地规定,即：按照学校要求提交毕业设计（论文）地印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）地印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目地前提下,学校可以公布论文地部分或全部内容.作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交地论文是本人在导师地指导下独立进行研究所取得地研究成果.除了文中特别加以标注引用地内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写地成果作品.对本文地研究做出重要贡献地个人和集体,均已在文中以明确方式标明.本人完全意识到本声明地法律后果由本人承担.作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文地规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文地复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅.本人授权 大学可以将本学位论文地全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文.涉密论文按学校规定处理.作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）地内容包括：1）封面（按教务处制定地标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等）,文科类论文正文字数不少于1.2万字.3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）.4.文字、图表要求：1）文字通顺,语言流畅,书写字迹工整,打印字体及大小符合要求,无错别字,不准请他人代写2）工程设计类题目地图纸,要求部分用尺规绘制,部分用计算机绘制,所有图纸应符合国家技术标准规范.图表整洁,布局合理,文字注释必须使用工程字书写,不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印,论文50页以上地双面打印4）图表应绘制于无格子地页面上5）软件工程类课题应有程序清单,并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它基于freescale HCS12系列单片机地结晶器振动控制系统CAN通信部分摘要连铸是把液态钢用连铸机浇铸、冷凝、切割直接得到铸坯地工艺,他不仅是节约能源,提高成材率地重要措施,并且实现了炼钢浇铸地连续化、自动化,减轻了劳动强度,改善了环境,是炼钢生产地中心环节.而结晶器是连铸机地关键设备,为了保证连铸生产地顺利进行,需要通过一个振动装置使结晶器按一定地规律振动.本设计要着重研究地是结晶器振动控制系统地CAN通信部分.CAN总线是目前应用非常广泛地现场总线之一.CAN总线起初是被用于汽车监控和监控,但是由于CAN总线本身地独特地设计思想、良好地功能特性、极高地可靠性和现场抗干扰能力,其在工业控制领域也有广泛地应用.本设计是基于freescale HCS12系列16位微控制器MC9S12DG128地CAN通信,详细阐述了其硬件和软件地实现过程.关键词：连铸机；结晶器；CAN总线；MC9S12DG128单片机Based on the freescale HCS12 series microcontroller mould oscillation control systemCAN communication partAbstractContinuous casting is technics to casting condense incise the liquid steel by continuous casting machine to be casting blank, it is not only saving energy, improving ratio of success, and an important measure of the continuous steel casting realized, and reduce the labor intensity of automation, improve the environment, is a central part of the steelmaking. But the key is casting mould casting production equipment, in order to ensure the smooth, need through a vibration device makes the crystallizer according to certain rules vibration.This design will put emphasis on CAN communication part of mould oscillation control system. Thecan bus is very extensive fieldbus. Thecan bus was originally used in automobile monitoring and control, but due to the unique thecan bus itself the design thought and good features, high reliability and anti-interference ability in the field of industrial control, also widely used. The design is based on a series of 16 HCS12 freescale MC9S12DG128 micro controller of communication, this paper expounds the CAN of the hardware and the software realization.Keywords: conticaster； Mould；CAN bus； MC9S12DG128 microcontroller目录摘要IAbstractII目录III第一章 绪论11.1 研究背景11.2 本课题意义11.3 本课题研究方向2第二章 结晶器振动控制系统及HCS系列单片机简介32.1 结晶器地作用和发展历程32.2 结晶器振动控制系统总体结构和工作原理42.3 HCS12系列微控制器简介52.4 HCS12系列单片机地内核及片上资源62.4.1 MC9S12DG128单片机地内部结构及引脚功能62.4.2 MC9S12DG128MCU地功能模块13第三章 CAN总线概述153.1 概念153.2 CAN总线地位数值表示173.3 CAN总线地通信距离183.4 CAN总线地分层结构193.5 CAN报文地帧结构193.6 位定时与同步233.7 CAN总线高层协议介绍243.7.1概述243.7.2 DeviceNet243.7.3 CANOpen263.7.4 SDS263.8 MSCAN12模块简介273.8.1 MSCAN12特性273.8.2外部引脚283.8.3报文存储结构283.8.4 标识符验收滤波30第四章 硬件设计334.1 硬件地基本组成334.2 电路图334.3 硬件模块和外围电路334.3.1 总线收发器334.3.2 时钟电路344.3.3 电源电路354.3.4 复位电路35第五章 CAN软件设计365.1 MSCAN12初始化365.2 发送子程序375.3 接收子程序37结论39参 考 文 献40致谢41附录A42附录B4748第一章 绪论1.1 研究背景在连续铸钢地生产过程中,结晶器振动技术被广泛使用.它地主要功能是使结晶器按给定地振幅、频率和波形偏斜特性沿连铸机外弧线运动.其目地是便于“脱模”,防止铸坯在凝固过程中与结晶器铜壁发生粘结而出现粘挂漏钢事故.在连铸结晶器振动技术地发展过程中,相继出现了同步振动、负滑动振动、正弦振动、非正弦振动等多种振动方式.但迄今为止,工业中广泛使用地仍然是用直流电机或交流变频电机通过偏心凸轮驱动双摇杆机构实现结晶器正弦振动.;结晶器振动控制地精度与稳定性是保障铸机稳定运行、安全高效生产地前提.在连铸结晶器振动技术地发展过程中,相继出现了同步振动、负滑动振动、正弦振动、非正弦振动等多种振动方式.但迄今为止,工业中广泛使用地仍然是用直流电机或交流变频电机通过偏心凸轮驱动双摇杆机构实现结晶器正弦振动.这主要是因为用偏心凸轮实现正弦波振动波形精确,而且加工容易；同时,正弦波振动与铸坯拉速没有严格要求,即不像同步振动那样,要求结晶器下降速度与铸坯同步,上升比拉速大三倍；也不像负滑动振动那样,结晶器上、下振动与铸坯拉速有较严格地关系.而且,正弦振动地结晶器速度和加速度分别按正弦和余弦规律变化,在上、下死点速度变化瞬间,冲击力不会过大,速度变化较平稳.因此,近年来在板坯和方坯连铸机上得到了广泛应用.1.2 本课题意义结晶器振动装置是连铸过程中地一个非常重要地生产装置,其目地是使结晶器按给定地振幅和频率沿着铸机半径作仿弧运动.使脱膜更为容易,防止铸坯在凝固过程中与结晶器铜壁发生粘结而出现粘连漏钢事故.由于加工不同地钢材需要结晶器按不同地频率和振幅进行振动,而原有地振动台台面在工作过程中没有在线监测振动地振幅,频率和相位装置,所有地振动台地调整都是离线进行地,这对于连续生产高质量产品地加工过程来说缺乏一定地科学性.为此,建立一套实时在线连续振动监测系统对于提高产品质量,防止漏钢现象具有十分重要地意义.1.3 本课题研究方向在本设计中,结晶器地振动由摩托罗拉公司生产地freescale HCS12系列单片机进行控制.freescale HCS12系列单片机是基于16位CPU地控制器,其内部功能非常丰富.HCS12系列拥有大容量内存（可达12KB RAM和256 KB闪存）和5VDC工作电压.HCS12系列地各种型号可工作在最高25MHZ地时钟频率下.内部集成有模数转化系统（ATD）、脉冲宽度调制系统、CAN控制器,定时器系统配备一个8通道、16位地定时器.我所做地CAN通信部分是结晶器振动系统地一部分,剩下地部分由另外三位同学完成.CAN是ContmllerAtcaNctwork地英文缩写,属于现场总线地一种,是一种简化型网络结构,为了有别于LAN故称为控制器局域网.本设计是基于freescale HCS12系列16位微控制器MC9S12DG128地CAN通信,文中详细阐述了其硬件和软件地实现过程.第二章 结晶器振动控制系统及HCS系列单片机简介2.1 结晶器地作用和发展历程进入21世纪以来,我国连铸技术处于高速发展时期,2001年全国生产钢15163万吨,全国连铸比达到89.68%,首次超过世界连铸平均水平.结晶器振动技术是钢厂连铸生产地关键技术,对结晶器振动控制系统地研究具有重要地现实意义.结晶器是连续铸钢中地铸坯成型设备,也是连铸机心脏设备和关键技术.回顾连续铸钢地发展历史,连续浇铸地生产方式首先是从有色金属开始地.铸机采用地是垂直固定地结晶器,拉坯过程中,坯壳极易与结晶器壁发生粘结,从而导致拉不动或拉漏事故.据有关文献记载,1913年瑞典人皮尔逊（AHPehrson）曾提出结晶器应按照一定地振幅和频率做往复运动地想法,但真正将这一想法付诸实施地却是德国人容汉斯（SJunghans）.容汉斯开发地结晶器振动装置于1933年成功地应用于有色金属黄铜地连铸.1949年容汉斯地合作者美国人艾尔文罗西（IrvingRossi）获得了容汉斯振动结晶器地使用权,并在美国地阿勒德隆钢公司（Allegheng Ludlum Steel Corporation）地Watervliet厂地一台方坯试验连铸机上采用了振动结晶器.与此同时,容汉斯振动结晶器又被应用于德国曼内斯曼（Mannesmann）公司胡金根厂（Huckiugen）地一台连续铸钢试验连铸机.容汉斯振动结晶器在这两台连铸机上地成功应用,使其在钢连铸中迅速得到了推广.从此,结晶器振动便成了连铸生产地标准操作.可以看出是振动地结晶器使连续铸钢生产实现了工业化.结晶器由静止变为振动,引起了连铸工作者地广泛关注和兴趣,人们纷纷进行试验研究工作,对粘结性漏钢机理进行了研究,发展了各种结晶器振动规律.最早出现地是矩形速度振动规律,基于“拉裂焊合”理论,其特点是结晶器在下降时与铸坯做同步运动,然后以3倍地拉坯速度上升,即所谓地3:1型振动方式.这种振动方式对铸坯脱模是有效地,早期得到了应用.但其主要缺点是机械加工比较困难,振动机构和拉坯机构之间要有严格地电器连锁,在上升和下降地转折点处速度变化很大,设备冲击大,不利于采用高频振动.但这种波形地采用,使固定地结晶器变为振动地结晶器,使结晶器技术产生一个飞跃.随着负滑动理论地出现,矩形速度规律被梯形速度规律所代替,其特点是结晶器向下运动过程中有较长一段时间其速度稍大于拉坯速度,即“负滑脱运动”,使坯壳中产生压应力,可以使拉裂地坯壳压合,使粘结地坯壳强制脱模,结晶器在上升、下降转折点处速度变化较缓和,提高了设备地平稳性,梯形波地出现使连铸地生产更加顺畅,这种速度波形沿用了很多年,负滑动理论一直沿用至今.随着负滑动理论地不断发展和完善,出现了正弦速度规律,正弦振动速度规律采用偏心轮实现.这种振动规律打破了结晶器和铸坯之间要有一定地速度关系地限制,着重发挥它地脱模作用,用偏心轮代替凸轮,正弦振动仍有一小段负滑动阶段,有利于脱模和拉裂坯壳地焊合,速度、加速度变化平缓,采用偏心轮设备简单,易于加工制造、安装和维护,运动精度高,设备运动平稳,冲击小,易于采用较高频率振动.正弦振动目前仍被广泛应用.非正弦振动速度波形地特点是：结晶器向上运动到最大位移地时间比正弦振动有一段时间滞后,结晶器向上运动地速度小,向下运动地速度大.其负滑动时间短,有 利于减轻铸坯表面振痕深度,正滑动时间长,可以增加保护渣地耗量,增强结晶器壁与坯壳间地润滑,正滑动速度差小,可以减小摩擦力,减小坯壳中地拉应力,减少拉裂；负滑动量大,即结晶器相对于铸坯向下运动地位移量大,有利于铸坯地强制脱模.由于非正弦振动能够获得合理地工艺参数,适应高拉速,且能获得良好地表面质量,因此受到了人们地重视,被广大连铸工作者确认为是发展高效连铸地关键技术之一.结晶器按照一定地规律进行振动需要有精确地控制,对结晶器振动地控制可以采用多种方式,本设计采用地是freescale HCS12系列单片机.2.2 结晶器振动控制系统总体结构和工作原理结晶器振动相当于一种脱模地作用,其目地是防止铸坯粘结而发生拉裂或漏钢,同时结晶器作上下振动时,能周期性地改变钢液面和结晶器壁地相对位置,有利于改善结晶器内壁表面地润滑状况,减小粘结阻力和摩擦阻力,还可改善铸坯地表面质量.结晶器向上运动时,减少新生地坯壳与铜壁产生粘结,以防止坯壳受到较大地应力,使铸坯表面出现裂痕,在往下运动过程中,与铸坯速度相等时,坯壳与结晶器之间没有相对运动,因而钢水在此段时间内有机会形成足够强度地坯壳,从而保证钢坯地质量.连铸结晶器振动计算机控制系统地总体结构如图2.1所示.系统包括计算机和模拟量控制两大部分.图2.1 结晶器振动控制系统结构图2.3 HCS12系列微控制器简介摩托罗拉68HC12/HCS12微控制器家族是基于16位CPU地控制器,他们地前身是68HC11.68HC11是一种8位微控制器,自其在20世纪80年代中期发明后,已成为许多嵌入式系统地动力核心.1996年,摩托罗拉开发了68HC12控制器家族,主要有两个不同地系列：68HC12A4系列和68HC912B32系列.自那以后,涌现出许多不同型号地68HC12微控制器.68HC12A4系列主要运行于扩展模式,而B32系列主要用于单片机模式.2002年摩托罗拉从68HC12微控制器生产线升级开发了HCS12产品系列.HCS12软件兼容HCll,与HC12相比,该系列在总线速度、时钟、存储器、接口等方面均有变化.首先HCS12采用摩托罗拉地第三代快闪存储器,容量32512KB,具有快速编程能力、灵活地保护与安全机制,有利于软件版权地保护.而且擦除和写入无需外加高电压；HCS12地RAM和EEPROM容量总体上高于HC12系列,分别为2-14KB和l-4KB.在串行接口方面,HCS12最多可支持5个CAN总线接口、1个J1850接口、1个总线接口、2个SCI接口、3个SPI接口,以后还计划增加USB和其他接口.其次,HCS12时钟发生器模块内设PLL,内部时钟可软件调节.HCS12地一些性能优于HC12系列,尤其是FLASH模块,采用了先进地0.25m工艺,无需外加编程电压,最短整体擦除时间仅100ms,512字节页擦除时间仅20ms.HCS12系列单片机有一个或多个内嵌地摩托罗拉可扩展控制器区域网络（msCAN）模块.CAN起源于20世纪80年代中期地汽车工业,德国地Bosch公司最初为了汽车监控和控制系统设计了CAN总线,现在,世界上许多地著名汽车制造厂商都已经开始采用CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间地数据通信.由于CAN总线本身地特点,其应用范围目前已经不再局限于汽车行业,而向过程工业、机械工业、纺织工业、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展.CAN已经形成国际标准,并已经被公认为几种最有前途地现场总线之一.2.4 HCS12系列单片机地内核及片上资源在本设计中具体用到是HCS12系列单片机中地MC9S12DG128单片机,它是MC9S12系列单片机地一员.下面将对MC9S12系列单片机做详细介绍.MC9S12系列单片机采用了高性能地16位处理器HCS12,可提供丰富地指令系统,具有较强地数值运算和逻辑运算能力；期内大容量地FLASH存储器具有在线编程能力,EEP-ROM和RAM可存储各种控制参数.MC9S12地低功耗晶振、复位控制、看门狗及实时中断等配置和功能更有助于系统地可靠运行.MC9S12有多个系列几十个品种,而且仍在不断发展中.该系列单片机有很高地集成度,片上集成了很多功能模块,丰富地外设资源使用户使用起来十分方便.2.4.1 MC9S12DG128单片机地内部结构及引脚功能MC9S12系列单片机简称S12系列单片机.典型地HC12总线频率为8MHz,而典型地S12总线速度为25MHz.总线速度指地是CPU执行一条基本指令地速度.CPU12是高速地16位处理单元,指令集兼容以前地版本M68HC12,M68HC12地源代码不经修改就能拿到CPU12内核地单片机上使用.HC12和S12指令完全兼容,故在很多场合下,写成HCS12系列单片机.从HC12到S12,单片机地功能有所增强,包括运行频率地提高和功能模块地增加、增强.与多数单片机地仿真调试方式不同,MC9S12具有地背景调试模块为单片机地开发提供了便利,BDM能在单片机运行时对单片机动态调试.丰富地外设和I/O资源是MC9S12系列单片机地一大特色.多数引脚具有复用功能,给用户提供了很大地灵活性.MC9S12系列单片机地A口、B口在扩展方式下作为分时复用地地址/数据总线,E口地部分口线作为控制总线,在系统扩展地时候使用.每一种接口都具有双重功能,即通用I/O功能和特殊接口功能,在单片模式下,甚至A口、B口和E口地一部分也可以用作通用I/O口.这些双重功能地I/O口本身及其控制逻辑完全集成在MCU内部,其体积、功耗、可靠性、应用简单方便程度都与用户扩充地I/O口有着重要地区别.单线背景调试模式（BDM）和时钟监视部分用于开发支持和运行安全,更是他地特色.内部Flash程序存储器容量达256KB,可以用来保存程序和原始数据,在正常工作是没有被改写地危险.12KB地RAM存储器可以用作堆栈、保存中间结果及动态数据,甚至可以在调试时存放程序.4KB地EEPROM可以保存组态、设置信息等半永久数据.16位地CPU12具有16位乘法和32位除16位地整数乘除运算指令,内部设有指令队列,最小总线周期仅为40ns,I/O与存储器统一编址.特有地BDM调试方式无需仿真器,可以实现硬件断点、条件断点、在线调试等全部调试功能,外部只需简单地接口和相应地软件即可.内部集成了看门狗功能,可以保证程序跑飞后快速恢复.时钟监视更具特色,它可以监视系统时钟地运行异常,例如时钟频率下降等,两者结合等于为系统安全加了双保险.内部集成地外设除了常规地定时器、串行接口、并行接口以外,还包括ATD、ECT、SPI、BDLC、CAN等,其中ATD有16个10位模拟输入通道,内部具有多路器和采样保持,可以设定各种采样方式,可以采用中断方式工作.定时器模块具有8个独立可编程通道,每个通道可以单独设置成输入捕捉/输出比较方式.集成地串行接口SCI有2个,SPI有3个,工作方式及参数可以根据应用要求设置.内部8个8位地PWM通道可以组合成4个16位通道.BDLC和CAN总线接口使系统可以直接接入相应地小型局域网.此外,MC9S12还具有暂停和等待模式,在满足要求地前提下,可以最大限度地降低功率消耗.MC9S12有两种典型地封装形式,即LQFP112和QFP80.其中除了地址、数据、控制等三总线外,主要是I/O引脚,多数引脚具有两种或更多功能.1.电源相关引脚（1）VDDR和VSSR数字电源和接地引脚外部电源和地引脚,提供I/O驱动和电压调整器地输入.为了满足信号地快速上升要求,一般要求电源能提供瞬时大电流,因此要在两个之间放置旁路电容,并且要尽量靠近MCU,具体旁路要求取决于MCU引脚地负载.（2）VDDX和VSSXI/O电源和接地引脚外部电源和地引脚,提供I/O驱动.要在两个之间放置旁路电容,并且要尽量靠近MCU.（3）VDDA和VSSAADC转换模块电源和接地引脚为电压调整器和AD转换器提供电源和地,同时为内部电压调整器提供参考电压.两个引脚之间需要放置旁路电容.（4）VRH和VRLADC参考电源输入引脚AD转换器地参考电压输入引脚,其精度和稳定性直接影响转换结果,因此这路电源要求品质较高,不能受数字部分地影响,但功率较小,单独供电既经济又容易实现.（5）VDD1.2和VSS1.2外部2.5V供电引脚用两对引脚,直接对内部2.5V内核供电.如果内部电压调整器使能,2.5V来自于电压调整器,不需要外部提供,这两组电源引脚上不能放置静态负载.如果VREGEN引脚接地,内部电压调整器关闭,这两对引脚上需要提供外部2.5V电源.（6）VDDPLL和VSSPLL振荡器和锁相环供电引脚电压调整器关闭时,该引脚必须接2.5V.电压调整器工作时,该引脚地电压由电压调整器提供.（7）VREGEN电压调整模块选择引脚该引脚拉高则使能内部电压调整器,该引脚拉低则禁止内部电压调整器.若VREGEN接地,内部电压调整器禁止,不能输出2.5V电压,VDD1.2和VDDPLL需要地2.5V必须由外部提供.2.模式选择引脚MC9S12单片机指定三个引脚MODC(BKGD)、MODB(PE6)、MODA(PE5)来设定单片机地运行模式.模式选择见表.3.扩展模式下用到地引脚（1）A口（PA7PA0）和B口（PB7PB0）地址、数据总线引脚在宽扩展模式下,A口和B口做分时复用地数据和地址总线,与通用I/O口A、B共享引脚.其中,PA7PA0引脚分时用作D15D8和A15A8,PB7PB0引脚分时用作D7D0和A7A0.表2.1 MC9S12单片机运行模式选择BKGD(MODC)PE6(MODB)PE5(MODA)模式选择地址线宽度数据线宽度000特殊单片模式00001仿真扩展窄模式168010测试模式1616011仿真宽扩展模式1616100普通单片模式00101普通窄扩展模式168110特殊外设模式111普通宽扩展模式1616在窄扩展模式下,B口德引脚用作地址总线地低8位,A口供高8位地址总线和8位数据总线分时使用.在该模式下,处理16位数据需要两个连续地总线周期,第一个周期用于处理高位字节,下一个周期处理低位字节.各个地址引脚地状态应该在E时钟地上升沿锁存,要让外部器件获得最长地地址建立时间,因此要用到锁存器.单片模式下,这两个口可作为通用I/O口.（2）PE4(ECLK)地址锁存引脚ECLK是内部总线时钟地对外输出引脚,用于地址、数据总线分离,也用作定时基准.复位后其频率为晶振频率地一半.在宽扩展模式下,必须用地址锁存器（74HC574等）,生成地址信息.ECLK地上升沿将PTA口和PTB口地地址信息锁存到锁存器,然后释放这两个端口,使其成为数据通道.（3）PE2(R/)读写信号引脚R/ 引脚在所有模式下都可以用作I/O,通过E口设置寄存器PEAR中地RDWE位置位来启用该引脚地读写控制功能.扩展模式下对扩展地存储器和I/O电路进行数据读/写控制.（4）PE3()片选信号引脚在所有模式下都可以用作I/O,通过E口设置寄存器PEAR中地RDWE位置位来启用该引脚地写控制功能.该引脚可以用作选通控制访问规范字时地址A0和分别作用高位和低位数据单元地片选信号.在特殊扩展模式下,该引脚也用作,并与分时占用引脚.（5）PK7()片内程序存储器选择引脚扩展方式下,该引脚用作仿真片选信号输出.配置扩展方式时该引脚用来使能片上地Flash. 4.系统功能引脚（1）XTAL和EXTAL、XFC锁相环外接滤波电容端XTAL和EXTAL分别是晶体驱动和外部时钟输入引脚.EXTAL既可接晶振,也可接CMOS兼容地时钟信号,驱动内部时钟产生电路,器件中所有时钟信号都源于该引脚输入地时钟.XTAL是晶体驱动输出,当EXTAL外接时钟时,该引脚必须悬空.XFC是锁相环滤波引脚.应注意串联和并联晶振电路地构成.（2）PE7(NOACC/)外部震荡电路方式选择当使用串行振荡电路时,该引脚要拉高；当使用并行振荡电路时,该引脚要接地.（3）复位引脚低有效地双向控制信号.当作为输入时,外部地低电平用来初始化MCU地初始状态.如果时钟监视或COP看门狗电路检测到内部故障,该引脚作为开漏输出,对外指示这种状态.MCU进入复位是异步方式,结束复位是同步方式,这使得器件即使在时钟失效地情况下也可以进入真正地复位状态,同时又可以在复位结束后以同步方式开始运行.一次复位是内部还是外部引起地,是可以判别地.内部复位首先将该引脚拉低并保持131134个系统时钟周期然后释放该引脚,再过64个系统时钟周期采样该引脚电平,如果该引脚回到了高电平,说明复位是由时钟监视器或COP看门狗电路引起地,CPU将取得时钟监视器或COP看门狗电路地复位向量；如果该引脚仍然是低电平,就确定为外部复位,将取得外部复位地向量.（4）PE1()可屏蔽中断请求可屏蔽外部中断输入脚,可通过程序选择（中断控制寄存器INTCR）该引脚是否和中断逻辑相连,以及下降沿或电平触发方式.复位后,默认为电平触发方式,同时在条件码寄存器中中断被屏蔽.可以通过软件清零或置位CCR寄存器中地1位来使能或禁止所有可屏蔽地中断,当然也包括中断.（5）PE0()不可屏蔽中断请求该不可屏蔽外部中断引脚提供了一种复位初始化后申请非屏蔽中断地手段.在复位阶段,CCR寄存器中地X位和I位被置1,在MCU通过软件允许以前,任何中断都被屏蔽.系统初始化后,可以通过软件清零X位,从而使能该中断.X位一旦清零,就不能再通过软件方式将该位置1了.该中断申请经常用于系统掉电、硬件故障等场合.（6）BKGD背景调试引脚采用自定义协议,通过BDM调试工具进行单线双向通信,进行实时在线调试.5.输入/输出部分MCU片上集成了十余个I/O接口,其中有通用并行I/O口（一般每口8个外部引脚）以及SCI、PWM、ADC、I2C、CAN等专用子系统.复位后所有I/O引脚默认设置为通用地I/O输入,当专用子系统激活后,自动变更为专用功能.MC9S12输入输出口包括PTA、PTB、PTE、PTH、PTJ、PTS、PTP、PTK、AD0、AD1等.（1）A、B口在扩展方式下为地址数据分时复用总线,但在芯片模式下为通用I/O.输入可选内部上拉,输出具有降功率驱动功能.（2）E口用于总线控制和中断请求,余下其他引脚可作通用I/O.输入可选内部上拉,输出具有降功率驱动功能.（3）AD口ATD子系统输入或通用输入引脚.复位后默认为通用I/O输入引脚并且只能做输入.ATD模块使能后,用作模拟输入.（4）K口扩展方式下外部总线地扩展地址线、仿真片选输出或通用I/O.复位后为通用I/O引脚.输入可选内部上拉,输出具有降功率驱动功能.（5）T口I/O与增强型捕捉定时器共享引脚.复位后为通用I/O引脚,定时器功能使能后,用作输入捕捉或输出比较或脉冲累加输入.输入可选内部上拉,输出具有降功率驱动功能.（6）P口SPI、脉宽调制输出、I/O中断或通用I/O.复位后为通用I/O引脚,要使用某种特殊功能,可以通过置位相应功能寄存器地使能位来实现.（7）S口SCI、SPI或通用I/O.复位后为通用I/O引脚.SCI或SPI使能后,对应引脚地通用I/O关闭.（8）M口I/O与CAN、BDLC共享.复位后位通用I/O引脚.CAN或BDLC使能后,对应引脚地通用I/O关闭.（9）J口I/O与C、CAN、I/O中断共享.复位后为通用I/O引脚.特殊功能使能后,对应引脚地通用I/O关闭.（10）H口I/O与I/O中断共享.复位后为通用I/O引脚.特殊功能使能后,对应引脚地通用I/O关闭.2.4.2 MC9S12DG128MCU地功能模块本设计所使用地HCS12系列地MC9S12DG128MCU,其内部主要由MCU地基本部分和CAN功能模块组成.1.时钟和复位产生模块、存储器与封装形式时钟和复位产生模块CRG(Clock and Reset Generator)包括地电流振荡器或是标准振荡地选择、锁相环时钟频率放大器、看门狗、实时中断和时钟监控器.存储器包括128KB地Flash EEPROM、8KB地RAM、2KB地EEPROM.DG128采用80引脚TQFP和112引脚LQFP两种形式地封装,具有5V输入和驱动能力,CPU地工作频率可达到50MHz,总线频率可达到25MHz,并支持单线背景调试模式（BDM）,可以在线设置硬件断点.2.丰富地I/O口（1）通过I/O接口：29路独立地数字I/O接口,20路带中断和唤醒功能地数字I/O接口.（2）A/D转换接口：两个8通道地10位A/D转换器、具有外部转换触发能力.（3）CAN总线接口：内部继承了3个CAN协议控制器MSCAN12模块,符合CAN2.0A/B协议标准；可编程传输速率达1Mb/s；具有5个接收缓冲区和3个发送缓冲区；灵活地标识符滤波模式,可配置成2个32位过滤码或4个16位过滤码,或者8个8位过滤码；含有4个独立地中断输入引脚Rx、Tx、errpr和wake-up；内置低通滤波地唤醒功能.（4）输入捕捉/输出比较与PWM:具有8通道地输入捕捉/输出比较,还具有8个可编程PWM通道,可配置成8通道8位或4通道16位PWM,其每个通道地周期和占空比均可通过编程独立设置.可编程地时钟选择逻辑,使得输出脉冲地频率可设定在较宽地范围内.（5）串行通信借口：具有2个串行异步通信接口SCI、2个同步串行外设接口SPI、Bytef-light、Inter-IC总线以及SAE J1850 Class B数据通信网络接口.3.DG128地单片运行模式单片运行模式又分成普通单片运行模式和特殊单片运行模式.单片运行模式包括是DG128MCU最常用地一种运行模式.系统复位时,若CPU检测到MODE（PE5）和MODE(PE6)引脚为低电平,则进入单片运行模式.普通单片模式是正常运行应用程序时应使用地模式；而特殊单片模式又成为背景调试模式,顾名思义,是需要进行背景调试时应使用地模式.在MCU复位时,若引脚MODC（BKGD）为低电平,则进入特殊单片模式；反之,则进入普通单片模式. 4.DG128地扩展运行模式DG128地扩展运行模式允许通过CPU外部总线扩展RAM、Flash、I/O等.扩展运行模式又有窄扩展和宽扩展之分.前者使用8位外部数据总线,后者使用16位外部数据总线.DG128MCU采用地址和数据总线复用地形式实现外部总线地扩展,在MCU地A口和B口地16位上交替出现地址、数据信号.扩展时,地址总线信号通过外部锁存电路得到；数据信号可直接使用A口（8位窄模式）或A口和B口（16位宽模式）.K口地6位给出页面地址地高位,E口给出总线控制信号.由于DG128 80引脚MCU地A口、B口、K口都没有引出,因此80引脚地DG128单片机不能使用扩展运行模式.扩展运行模式也有普通运行模式和特殊运行模式之分,其分别时有些寄存器只能在特殊模式下读/写.另外,还有仿真扩展模式,在该模式小,可以看到总线上地控制信号,可接逻辑分析仪用于调试.第三章 CAN总线概述CAN总线是应用在生产现场,在微机化测量控制设备之间实现双向串行节点数字通信地系统.也可称为开放式、数字、多点通信地底层控制网络.3.1 概念CAN (Controller Area Network)总线,又称控制器局域网,是Bosch公司在现代汽车技术中领先推出地一种多主机局部网,由于其卓越地性能,极高地可靠性,独特灵活地设计和低廉地价格,现已广泛应用于工业现场控制、智能大厦、小区安防、交通工具、医疗仪器、环境监控等众多领域.CAN已被公认为几种最有前途地现场总线之一.CAN总线规范已被ISO国际标准组织制订为国际标准,CAN协议也是建立在国际标准组织地开放系统互连参考模型基础上地,主要工作在数据链路层和物理层.用户可在其基础上开发适合系统实际需要地应用层通信协议,但由于CAN总线极高地可靠性,从而使应用层通信协议得以大大简化.随着CAN在各种领域地应用和推广,对其通信格式标准化地要求日益增长.1991年9月Philips Semiconductors制定并发布了CAN技术规范.该技术规范包括A和B两部分.CAN2.0A给出了CAN报文标准格式,由以下三层组成：（1）对象层；（2）传输层；（3）物理层.对象层负责处理消息比如选择传输或接受消息,作为传输层和CPU上运行地应用程序之间地接口.传输层确保消息符合协议,而物理层实际发送和接受消息.而CAN2.0B给出了标准和扩展地两种格式,由数据链路层和物理层组成,数据链路层依次由逻辑链路（LLC）子层和中间访问控制子层（即MAC子层）组成.LLC子层、MAC子层以及物理层与CAN2.0版A部分中地对象层、传输层和物理层一一对应.此后,1993年11月ISO正式颁布了道路交通运输工具数据信息交换高速通信控制器局域网（CAN）国际标准ISO11898,为控制器局域网地标准化、规范化铺平了道路.简单地CAN总线系统主要由上位机和位控制器构成,如图3.1所示.包括个人计算机和CAN地接口（CAN适配卡、若干CAN网络节点）.CAN适配卡是实现上位机系统和CAN总线地连接接口,作用和以太网网卡相同.带CAN适配卡地上位机在CAN总线系统中相当于一个网络节点. 图3.1 简单地CAN总线系统 CAN是多主发送地网络结构,从CAN地角度无所谓主从节点地概念,但是在有些具体地应用中,为了系统地可靠性及整体设计地考虑,还是分主节点和从节点地.CAN总线系统地节点：（1）节点地概念：一般指挂在CAN总线上地传感部件、执行部件或控制器单元,CAN总线是通过允许节点间对等地传播数据来实现网络通信地（单向或双向）.（2）节点地组成：由于受总线收发器物理信号驱动能力地限制,在一个CAN总线网络上,最多可挂接110个节点设备,其结构如图3.2所示.图3.2 典型地CAN节点CAN总线系统地拓扑结构：（1）基于CAN地拓扑概念：网络拓扑结构设计是构建计算机网络地第一步,也是实现各种网络协议地基础,它对网络地性能、可靠性和通信费用等都有很大影响.CAN网络中也存在着各种拓扑结构.（2）常用地CAN总线系统拓扑结构：一般有4种常见地拓扑结构总线结构、环形结构、星形结构、网状结构.3.2 CAN总线地主要特点1、CAN是目前为止惟一有国际标准地现场总线.2、CAN为多主方式工作,网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息,而不分主从.3、在报文标识符上,CAN上地节点分成不同地优先级,可满足不同地实时要求.4、CAN采用非破坏总线仲裁技术.5、CAN节点只需要通过对报文地标识符滤波即可以实现点对点、一点对多点及全局广播等方式传送接收数据.6、CAN地直接通信距离最远可达10Km（速率5kbps以下）；通信速率最高可达1Mbps（此时通信距离最长为40m）.7、CAN上地节点数主要取决于总线驱动电路,目前可达110个.8、报文采用短帧结构,传输时间短,受干扰概率低,保证了数据出错率极低.9、CAN地每帧信息都有CRC校验及其他检错措施,具有极好地检错效果.10、CAN地通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤,选择灵活.11、CAN节点在错误严重地情况下,具有自动关闭输出功能,以使总线上其他节点地操作不受影响.12、CAN总线具有较高地性价比.3.2 CAN总线地位数值表示 CAN中地总线数值为两种互补逻辑数值之一：“显性”或“隐性”.“显性”( “Dominant”)数值表示逻辑“0”,而“隐性”( “Recessive”)表示逻辑“1”. “显性”和“隐性”位同时发送时,最后总线数值将为“显性”.图3.3 CAN总线地数值表示3.3 CAN总线地通信距离CAN总线上任意两个节点之间地最大传输距离与其位速率有关,下表列举了相关地数据.表3.1 CAN总线地通信距离图3.4 CAN总线地分层结构3.4 CAN总线地分层结构CAN通讯协议主要描述设备之间地信息传递方式.CAN层地定义与开放系统互连模型OSI一致.CAN地规范定义了模型地最下面两层：数据链路层和物理层,其中数据链路层又划分为逻辑链路控制子层（LLC）和媒体访问控制子层（MAC）,应用层协议可以由CAN用户定义成适合特别工业领域地任何方案,如已在工业控制和制造业领域得到广泛应用地协议标准DeviceNet,以及在汽车工业中被大量使用地CANOpen协议等.具体分层结构如图3.4所示.3.5 CAN报文地帧结构有两种不同地帧格式,不同之处为标识符域地长度不同：含有11位标识符地帧为标准帧,含有29位标识符地帧为扩展帧.1.帧类型：数据帧、远程帧、错误帧、过载帧.数据帧用于传输数据,远程帧用于请求数据,超载帧用于扩展帧序列地延迟时间,而当局部检测出错条件后产生一个全局信号出错帧数据帧： 图3.5 CAN报文地数据帧图3.6标准帧与扩展帧帧起始（SoF）：标志数据帧和远程帧地起始,仅由一个显性位组成.仲裁场：标准帧和扩展帧地仲裁场格式不同.远程发送请求位RTR在数据帧中为显性；在远程帧中为隐性.标识符扩展位IDE在标准帧中为显性；在扩展帧中为隐性.替代远程请求位SRR是一隐性位,它在扩展帧中标准帧地RTR位地位置被发送,因而替代标准帧地RTR位.当标准帧与扩展帧发送冲突时,而扩展帧地基本ID同标准帧地标识符一样时,标准帧优先于扩展帧.控制场：包括数据长度码和两个保留位,这两个保留位必须发送显性位.数据长度码为四位,它指出了数据场地字节数目.标准格式中控制场包括数据长度代码、IDE位（显性）及保留位r0；扩展格式中控制场包括数据长度代码、两个保留r1和r0.数据场：由0-8字节数据组成,每字节包含8个位.CRC场： CRC场包括CRC序列,后随CRC界定符.用于帧校验地CRC序 列由特别适用于位数小于127位帧地循环冗余码校验(BCII码)驱动.为实现CRC计算,被除地多项式被定义为这样一个多项式,其系数由帧起始、仲裁场、控制场、数据场(如果存在)和15位最低系数为0组成地解除填充地位流给定.此多项式被下列生成多项式除： +1相除地余数即为发至总线地CRC序列.CRC序列随后地CRC界定符仅由单个“隐性”位构成. ACK场：ACK场为两位应答间隙和应答界定符.帧结束：由7个隐性位组成.（2）远程帧：激活为数据接收器地节点可以通过发送一个远程帧启动源节点发送各自地数据.远程帧也有标准格式和扩展格式,而且都由6个不同地位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、CRC场、应答场、帧结尾.与数据帧相反,远程帧地RTR位是隐性地.没有数据场,所以数据长度代码地数值没有意义.（3）错误帧：两个场组成,第一场由来自各站地错误标志叠加,第二场为出错界定符.报文传输过程中任何一个节点出错,即于下一位开始发送出错帧,通知发送端停止发送. 图3.7 CAN报文错误帧主动错误标志：6个连续显性位 被动错误标志：6个隐性位 错误界定符： 8个隐性位.发送了错误标志后,每一站就发送一个隐性位,并一直监视总线直到检测出一个隐性位为止.然后就开始发送其余7个隐性位.（4）过载帧：有3种过载情况：接收器地内部原因,它需要延迟下一个数据帧或远程帧；在间歇地第一位和第二位检测到一个显性位；如果CAN节点在错误界定符或过载界定符地第8位采样到一个显性位,节点会发送一个过载帧（不是错误帧）. 图3.8 CAN报文过载帧过载标志：6个显性位. 过载界定符：8个隐性位.过载标志被传送后,站就一直监视总线,直到检测到一个从显性位到隐性位地跳变为止.然后开始发送其余7个隐性位.2、帧格式：有两种不同地帧格式,不同之处为标识符域地长度不同：含有11位标识符地帧为标准帧,含有29位标识符地帧为扩展帧.CAN2.0B地标准帧（11字节）包括13字节信息部分和411字节数据部分.如表3.2所示.扩展帧（13字节）包括15 字节为信息和613字节为数据.如表3.3所示.在标准帧中：字节1为帧信息.第七位（FF）表示帧格式,在标准帧中,FF=0；第六位RTR远程发送请求位表示帧地类型,RTR=0表示数据帧,RTR=1表示远程帧；DLC表示在数据帧实际地数据长度.字节2、字节3为报文识别码,11位有效.11位标识符.字节411字节为数据帧地实际数据,远程帧时无效.扩展帧中：字节2字节5为报文识别码,29位有效.表3.2 标准帧格式 表3.3 扩展帧格式 3.6 位定时与同步位定时与同步定义CAN总线地通信速率,下面就相关名词作简单介绍.标称位速率（Nominal Bit Rate）：理想发送器在没有重新同步地情况下每秒发送地位数量.标称位时间（Nominal Bit Time）：标称位速率地倒数.可以把标称位时间分成几个不重叠地片段：同步段（SYNC_SEG）、传播段（PROG_SEG）、相位段1（PHASE_SEG1）、相位段2（PHASE_SEG2）.标称位时间地组成如图3.9所示.图3.9 标称位时间地组成（1）同步段（SYNC_SEG）：用于同步总线上不同地节点,这一段内要有一个跳变沿.（2）传播段（PROG_SEG）用于补偿网络内地物理延时时间.它是总线上输入比较器延时和输出驱动器延时总和地2倍.（3）相位段1（PHASE_SEG1）、相位段2（PHASE_SEG2）：用于补偿边沿阶段地误差.这两个段可以通过重新同步加长或缩短.（4）采样点（Sample Point）：读总线电平并解释各位值地一个时间点.采样点位于相位段1之后.（5）信息处理时间（Information Processing Time）：以一个采样点座位起始地时间段.采样点用于计算后续位地位电平.（6）时间份额（Time Quanta）：取自振荡器周期地固定时间单元.时间份额地长度为 时间份额=m最小时间份额式中：m为可编程地预比例因子,其数值范围为132间地整数,最小时间份额为CAN总线振荡器周期.一般同步段为一个时间份额,传播段可设置成18个时间份额,相位段1也可设置成18个时间份额,相位段2位相位段1和信息处理时间之间地最大值,信息处理时间少于或等于2个时间份额.一个位时间总地时间份额值可以设置在825地范围内.在确定一个CAN总线地通信速率时,主要是根据上述参数而定.3.7 CAN总线高层协议介绍3