第２４卷增刊２００９年ｌＯ月数据采集与处理
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＤａｔａＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ＆Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ
Ｖ０１．２４Ｎｏ．Ｓ
ｏｃｔ．２００９
文章编号：ｌ００４—９０３７（２００９）增刊一０２９０—０４
基于ｃ８０５１ｆ０６０单片机的ｃＡＮ２．ｏＢ数据采集系统
陈光建刘国权徐涛郝向凯高志强
（中国石油集团测井有限公司华北事业部，任丘，０６２５５２）
摘要：ＥＩＬｏｇ测井系统中引入ＣＡＮ（Ｃ０ｎｔｒｏｌｌｅｒａｒｅａｎｅｔｗｏｒｋ）总线作为通讯网络，理论上可以挂裁无限多个带有ＣＡＮ接口的仪器，从而实现了最大限度的组合测井。ＣＡＮ总线的高速度、高抗干扰能力以及高扩展能力，通过对Ｃ８０５１ｆ０６０单片机在ＣＡＮ总线中的设计与实现，保证了测井仪器的质量，极大地提高了测井效率，减少了下井次数。关键词：ＥＩＬｏｇ测井系统；ＣＡＮ；Ｃ８０５“０６０单片机
中图分类号：ＴＰ２７文献标识码：Ａ
ＤｅＶｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＤａｔａＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍＣＡＮ２．０ＢＢａｓｅｄ
ＯｎＣ８０５１ｆ０６０Ｓｉｎｇｌｅ—Ｃｈｉｐ
Ｉ［’＾Ｐ以Ｇ“４，２曾歹ｉ以咒，Ｌｉ“Ｇ“Ｄｇ“ｎ咒，Ｘ“７７口ｏ，Ｈ口ｏＸ如，ｚｇ忌口ｆ，Ｇ乜ＤＺ＾ｉｇｉ口＂ｇ（ＨｕａｂｅｉＢｕｓｉｎｅｓｓＤｉｖｉｓｉｏｎ，ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏＩｅｕｍＬｏｇｇｊｎｇＣｏｍｐａｒｙＬｉｍｉｔｅｄ，Ｒｅｎｑｉｕ，０６２５５２。Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅＣＡＮｂｕｓｉｓａｄｏｐｔｅｄｉｎＥＩＬｏｇｌｏｇｇｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｓｔｈｅｍｅｓｓａｇｅｎｅｔｗｏｒｋ，ａｎｄｉｎｔｈｅｏｒｙａｎ１ｉｍｉｔｌｅｓｓｎｕｍｂｅｒｏｆＣＡＮｉｎｔｅｒｆａｃｅａｐｐａｒａｔｕｓｃｏｕｌｄｂｅｍｏｕｎｔｅｄｉｎｏｒｄｅｒｔｏａｃｈｉｅｖｅｍａｘｉｍｕｍｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｌｏｇｇｉｎｇ．ＣＡＮｂｕｓｈａｓｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ，ｈｉｇｈａｎｔｉ—ｊａｍｍｉｎｇｃａｐａｂｉｌｉｔｉｅｓａｎｄｈｉｇｈｓｃａｌａｂｉ“ｔｙ．ＴｈｒｏｕｇｈｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅＣ８０５１ｆ０６０ｓｉｎｇｌｅ—ｃｈｉｐＣＡＮｂｕｓａｔｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｌｏｇｇｉ
ｎｇｓｙｓｔｅｍｉｓｅｎｓｕｒｅｄ，ａｎｄｔｈｅｌｏｇｇｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｒｅｄｕｃｅｓｔｈｅｇｏｉｎｇｄｏｗｎｎｕｍｂｅｒｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＥＩＩ。ｏｇｌｏｇｇｉｎｇｓｙｓｔｅｍ；ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｒｅａｎｅｔｗｏｒｋ（ＣＡＮ）；Ｃ８０５１ｆ０６０ＳＣＭ
引言
ＣＡＮ全称为Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｒｅａｎｅｔｗｏｒｋ，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。ＣＡＮ最早出现在２０世纪８０年代末的汽车行业中，由德国Ｂｏｓｃｈ公司提出，作为汽车环境中的微控制器通讯总线，在车载各电子控制装置ＥＣＵ之间交换信息，形成汽车电子控制网络。
ＣＡＮ可提供高达１Ｍｂｉｔ／ｓ的数据传输速率，这使实时控制变得非常容易，外硬件的错误检定特性也增强了ＣＡＮ的抗电磁干扰能力，另外作为一种总线，理论上具有无限的扩展性能【１］。
Ｃ８０５１ｆ０６０单片机内部集成ＣＡＮ控制器，符合Ｂｏｓｃｈ规范２．ｏＡ（基本ＣＡＮ）和２．０Ｂ（全功能ＣＡＮ），方便了ＣＡＮ网络通信设计。ＣＡＮ通讯网络具有高速度、高可靠性、强抗干扰能力等优点，并且具有很强大的扩展能力。
收稿日期：２００９一０３—２０；修订日期：２００９一０６一０５
由于Ｃ８０５１ｆ０６０的高集成度，因而只需少量外围测量电路便可组成集数据采集、控制和通信功能于一体的单片系统，同时可提高系统的整体可靠性。另外，Ｃ８０５１ｆ０６０内核和普通５１系列兼容，且指令简单易学，因此，可缩短系统研发周期。
１Ｃ８０５１ｆ０６０单片机
Ｃ８０５“０６０单片机是ＳｉｌｉｃｏｎＩ。ａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ公司推出的完全集成的混合信号片上系统型ＭＣＵ，具有以下的特点［２］：
・高速、流水线结构的８０５ｌ兼容的ＣＩＰ一５１内核（可达２５ＭＩＰＳ）
・两个１６位、１Ｍｓｐｓ的ＡＤＣ，带ＤＭＡ控制器
・控制器局域网（ＣＡＮ２．ｏＢ）控制器，具有３２个消息对象，每个消息对象有其自己的标识掩码・全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）
・１０位、２００ｋｓｐｓ的ＡＤＣ，带８通道模拟多路开关
增刊陈光建。等：基于Ｃ８０５１ｆ０６０单片机的ＣＡＮ２．ｏＢ数据采集系统２９１
・两个１２位ＤＡＣ，具有可编程数据更新方式
・６４ＫＢ可在系统编程的ＦＬＡＳＨ存储器
・４３５２（４Ｋ＋２５６）字节的片内ＲＡＭ
・可寻址６４ＫＢ地址空间的外部数据存储器接口
・硬件实现的ＳＰＩ，ＳＭＢｕｓ／１２Ｃ和两个ＵＡＲＴ串行接口
・５个通用的１６位定时器
・具有６个捕捉／比较模块的可编程计数器／定时器阵列
・片内看门狗定时器、ＶＤＤ监视器和温度传感器
Ｃ８０５１ｆ０６０单片机器件内部的控制器局域网（ＣＡＮ）控制器，仪器接口使用ＣＡＮ协议实现串行通信。其内部结构如图１。由于ＭＣＵ不能直接访问信息ＲＡＭ，因此，必须通过ＩＦ寄存器和信息ＲＡＭ交换数据。信息ＲＡＭ共可存储３２个消息对象，而ＩＦ寄存器则分为ＩＦｌ和ｌＦ２两组，以分别定义为接受、发送功能，ＩＦ的ＣｏｍｍａｎｄＲｅｑｕｅｓｔ寄存器可用于定义访问
３２个消息对象的哪一个。Ｃｏｍｍａｎｄ—Ｍａｓｋ则用于定义将一个消息对象的哪一部分传到消息ＲＡＭ中。
ｉｌ删控制器Ｃ８０５ｌ
ＴＸＲＸ
ＣＡＮ控制器核
Ｚ。≤≥
（３２个消息对象）ｒｒｌ…’７”Ｉ’訇弋，
◇◇
Ｉ消息处理器中断卜＿ＭＣＵ
图ｌＣ８０５１ｆ０６０单片机内部结构图２系统原理及功能实现
ＣＡＮ２．ＯＢ接口电路（见图２）主要包括ＣＡＮ２．ｏＢ接口控制器（Ｕ３）、光耦隔离电路（Ｕ２）和ＣＡＮ２．ｏＢ接口驱动器（Ｕ１）。该电路主要作用是接收４３０Ｋ遥传短节下发命令
和上传数据；将下发命令解释，并产生相应的控制信号。光耦隔离电路（Ｕ２）的作用是通过光电隔离提高ＣＡＮ信号的抗干扰处理能力。ＣＡＮ驱动器（Ｕ１）为ＣＡＮ总线提供差分发射能力，提供差分接收能力。
ＣＡＮ控制器最常用的传输介质就是双绞线，利用差分电压传送，两条信号线被称为ＣＡＮＨ和ＣＡＮＩ。，静态时均为２．５Ｖ左右，此时状态表示为逻辑１，也可以叫做隐性；用ＣＡＮＨ比ＣＡＮＬ高表示逻辑ｏ，称为显形，此时电压值分别为３．５，１．５Ｖ。２．１系统接口ＩＤ的约定
系统接口使用２．ＯＢ协议（１１位地址），位ＩＤｌｏ为１时表示复位状态，为０时表示正常工作状态；位ＩＤ９—８为仪器状态（ｏｏ为井下仪器内部通讯；０１为遥传对井下仪下发命令；１０为井下仪器对遥传发送数据；１１为遥传内部通讯）；位ＩＤ７一。为仪器号，该仪器号设为１０００１０１１。
２．２系统工作流程
在一个循环周期的开始，数传通过ＣＡＮ总线给仪器下发一个开始取数据的远程帧（１Ｄ：００１１０００１０１１），从而使测井仪开始发送数据，数据发送完毕后，如果遥传收到地面刻度／推靠命令，此时则发送一个命令字（ＩＤ：０１０１０００１０１１）。所有数据全部传送完毕（帧结束标志有效），采集数据以等待遥传发送ＲＴＲ远程帧，开始下一个循环周期。
图２Ｃ８０５１ｆ０６０单片机在电路中的应用
２９２数据采集与处理第２４卷
数据上传每帧２Ｋ字节。井下仪器上传数据以字为单位，遥传系统对数据的组织和上传内容不作要求。２．３下发命令
ＣＡＮ２．ｏＢ接口电路和电缆遥传短节通讯通过ＣＡＮ总线连接，共３条信号线，分别为ＣＡＮＨ，ＣＡＮＬ和ＧＮＤ。ＣＡＮ控制器集成在Ｃ８０５１ｆ０６０单片机上，负责接收遥传短节下发命令，Ｃ８０５１ｆ０６０单片机解析后发出控制信号（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４）送到控制驱动部分，用来控制仪器的状态。仪器共有７个命令：测井、低刻、高刻、打开、收拢、禁止推靠和贯通。例如：下发命令字为５５５５５Ｃ５５时仪器微电极零刻；下发命令字为５５５５５５Ｃ５时仪器微电极高刻；下发命令字为ＡＡＡＡＡＡ３Ａ时仪器井径打开；下发命令字为ＡＡＡＡＡＡＡ３时仪器井径收拢。
３系统编程
仪器接口中Ｃ８０５１ｆ０６０单片机主要实现以下功能：模拟量采集、控制、数据处理以及数据传输。具体流程如图３所示。
．Ｉ
图３Ｃ８０５１ｆ０６０单片机工作流程框图
３．１系统初始化
Ｃ８０５１ｆ０６０单片机的初始化设置主要包括Ｉ／ｏ口交叉编译设置，系统时钟设置，ＡＤＣ采集系统设置，ＣＡＮ控制器设置以及其他相应的功能设置‘３。。本文主要介绍ＣＡＮ寄存器的设置，其他的功能设置不再一一介绍。
现根据需要对ＣＡＮ控制器进行初始化设置：
为了接受遥传短节的命令数据，本文设置一个消息对象来接受数据：
Ｕｎｓｉｇｎｅｄｉｎｔｉｄ；
ＵｎｓｉｇｎｅｄｉｎｔＭｓｇＮｕｍ；
ｕｎｓｉｇｎｅｄｉｎｔｔｅｍｐ；
ｉｄ—Ｏｘｌ８Ｂ；
ＭｓｇＮｕｍ—ｌ；
ＳＦＲＰＡＧＥ＝ＣＡＮＯ—ＰＡＧＥ：
ＣＡＮＯＡＤＲ＝ｌＦｌＣＭＤＭＳＫ；／／指向ＩＦｌＣｏｍ—ｍａｎｄＭａｓｋＲｅｇｉｓｔｅｒｓ
ＣＡＮＯＤＡＴ＝０ｘＯＯｂ３；
／＊ＩＦ１ＣｏｍｍａｎｄＭａｓｋＲｅｇｉｓｔｅｒｓ一０ｘ００ｂ３
ＷＲ／ＲＤ一１，Ｍａｓｋ＝Ｏ，Ａｒｂ一１，Ｃｏｎｔｒｏｌ＝ｌ，ＣｌｒＩｎｔＰｎｄ—Ｏ，ＴｘＲｑｓｔ＝０，ＤａｔａＡ＝１，ＤａｔａＢ＝１，一次发送８字节数据＊／
ＣＡＮＯＡＤＲ—ＩＦｌＡＲＢｌ；
ＣＡＮＯＤＡＴ＝ＯｘＯＯＯＯ；
／＊ｌＦｌＡｒｂｉｔｒａｔｉｏｎＲｅｇｉｓｔｅｒｓ１＝ＯｘＯＯＯＯ，即ＩＤｌ５一Ｏ—Ｏ＊／
ｔｅｍｐ—ｉｄ《２；／／标准ｉｄ为ｌＤ２８一ＩＤｌ８，所以要左移２位
ｔｅｍｐ＆＝Ｏｘｌｆｆｆ；
ｔｅｍｐＩ＝ｏｘ８０００；
ＣＡＮｏＤＡＴ—ｔｅｍｐ；／／地址自增，指向ＩＦｌＡｒ－ｂｉｔｒａｔｉｏｎＲｅｇｉｓｔｅｒｓ２
／＊ＩＦｌＡｒｂｉｔｒａｔｉｏｎＲｅｇｉｓｔｅｒｓ２＝１０１（ｉｄ）ＯＯｂ
ＭｓｇＶａｌ＝１，Ｘｔｄ＝Ｏ，为标准模式，扩展１Ｄ无效，Ｄｉｒ＝Ｏ，为接收＊／
ＣＡＮＯＤＡＴ＝Ｏｘ００８８；
／＊ＩＦｌＭｅｓｓａｇｅＣｏｎｔｒｏｌＲｅｇｉｓｔｅｒｓ—Ｏｘ００８８
ＮｅｗＤａｔ＝０，ＭｓｇＩ。ｓｔ＝０，ＩｎｔＰｎｄ—Ｏ，ＵＭａｓｋ—Ｏ，ＴｘＩＥ—Ｏ，ＲｘＩＥ＝Ｏ，ＲｍｔＥｎ＝Ｏ，ＴｘＲｑｓｔ一０
ＥｏＢ一１，ＤＩ。Ｃ３—０＝１０００，即数据长度为８＊／
ＣＡＮＯＡＤＲ＝ＩＦｌＣＭＤＲＱＳＴ；
ＣＡＮＯＤＡＴ＝ＭｓｇＮｕｍ；
／＊ＩＦ１ＣｏｍｍａｎｄＲｅｑｕｅｓｔＲｅｇｉｓｔｅｒｓ—Ｍｓ—ｇＮｕｍ，将以上配置写入ＭｓｇＮｕｍ号消息＊／该程序的作用就是将１号消息对象配置为接收（帧ｌＤ为ｏｘｌ８ｂ）缓冲区。这样ＣＡＮ总线上ＩＤ为Ｏｘｌ８ｂ的数据帧就会被接收放到消息号为１的消息寄存器中了。然后用同样的方法将２号消息对象设为远程帧（帧ＩＤ为ｏｘｌ８ｂ）接收缓冲区，３号对象设置为发送（帧ＩＤ为Ｏｘ２８ｂ）数据缓冲区。接着要配置波特率发生器，将ＣＡＮ传输速度配置为８００Ｋｂｐｓ：ＳＦＲＰＡＧＥ—ＣＡＮｏ—ＰＡＧＥ；／／切换到ＣＡＮ配置页面
ＣＡＮＯＣＮ＝０Ｘ４１：
ＣＡＮＯＡＤＲ＝ＢｌＴＲＥＧ：
ＣＡＮＯＤＡＴ＝ｏＸ２５４２；／／配置波特率
增刊陈光建，等：基于Ｃ８０５“０６０单片机的ＣＡＮｚ．ＯＢ数据采集系统２９３
最后打开ＣＡＮ中断，并启动ＣＡＮ：
ＳＦＲＰＡＧＥ＝ＣＡＮｏ—ＰＡＧＥ；／／切换到ＣＡＮ配置页面
ＣＡＮＯＤＡＴＩ，一ＯｘＦＦ：
ｆｏｒ（ｉ一１；ｉ＜３３；ｉ＋＋）
｛
ＣＡＮＯＡＤＲ—ｌＦｌＣＭＤＲＱＳＴ；
ＣＡＮＯＤＡＴＩ。＝ｉ；
｝／／所有消息清零
ＣＡＮＯＣＮ—Ｏｘ０２：
／／使能ＣＡＮ中断Ｉｎｉｔ清零，结束初始化操作，ＣＡＮ控制器进入正常工作
３．２中断程序
单片机执行完系统初始化后，进入主程序，开始数据采集以及数据预处理，并等待遥传命令，准备数
据传送。这里要编写ＣＡＮ中断子程序，在其中完成数据接收。编写数据发送程序，在其中完成数据发送。
ｖｏｉｄＣＡＮ—ＩＳＲ（ｖｏｉｄ）ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ１９／／ＣＡＮ中断子程序
scala不是内部或外部命令｛
ｕｉｎｔｔｅｍｐ，ｉ；
ｕｃｈａｒｓｔａｔｕｓ；
ｕｃｈａｒｔｅｍｐｐａｇｅ；
ｔｅｍｐｐａｇｅ—ＳＦＲＰＡＧＥ；
ＳＦＲＰＡＧＥ＝ＣＡＮＯ—ＰＡＧＥ：
ｓｔａｔｕｓ＝ＣＡＮＯＳＴＡ：
ｉｆ（（ｓｔａｔｕｓ＆ｏｘｌＯ）！一Ｏ）／／ＲｘｏＫ一１成功接收报文
｛
ＣＡＮＯＳＴＡ＆一Ｏｘｅｆ；
ＣＡＮＯＡＤＲ＝ＩＮＴＰＥＮＤｌ；
ｔｅｍｐ—ＣＡＮＯＤＡＴ；
ｉｆ（（ｔｅｍｐ＆ＯＸ０１）！＝Ｏ）／／如果为数据桢
｛
／／接收数据
｝
｝
ｉｆ（（ｓｔａｔｕｓ＆Ｏｘ０８）！＝Ｏ）｛
ＣＡＮＯＳＴＡ＆一Ｏｘｆ７；
ＣＡＮＯＡＤＲ＝ＩＮＴＰＥＮＤｌ：
ｔｅｍｐ—ＣＡＮＯＤＡＴ；
ｉｆ（（ｔｅｍｐ＆Ｏｘ０２）！一Ｏ）／／如果为远程桢
｛
／／发送数据
｝
）
ＳＦＲＰＡＧＥ—ｔｅｍｐｐａｇｅ；
）
在接受到ＣＡＮ中断之后，单片机转入ＣＡＮ中断子程序，首先判断是接收中断还是发送中断。然后进行数据接收或者发送，进而完成数据传输通讯。
４结束语
由于Ｃ８０５１ｆ０６０的高集成度，自带ＣＡＮ，因此只需少量外围电路便可实现与ＥＩｌｏｇ测井系统的配接。另外，Ｃ８０５１ｆ０６０单片机具有与８０５１指令集完全兼容的ＣＩＰ一５１内核，指令简单易学，对于熟悉５１单片机的技术人员来说，在硬件设计及软件编程上大大缩短研制周期，为系统调试带来极大的方便。经过室内测试及华北任９１井试验，证明本系统通讯十分可靠，产生了事半功倍的效果，具有很大的推广应用价值。
参考文献：
［１］汤天知．ＥＩＬｏｇ测井技术现状和发展思路口］．浏井技术，２００７，３１（２）：９９—１０２．
［２］周立功．ｉＣＡＮ现场总线原理与应用［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００７．
［３］杜尚丰．ＣＡＮ总线测控技术及其应用［Ｍ］．北京：电子工＿ｋ出版社，２００７．
作者简介：陈光建（１９７７一），男．工程师，研究方向：测井仪器研发调校，Ｅ—ｍａｉｌ：ｃｇｊｌ３２＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ；刘国权（１９６９一），男，工程师，研究方向：测井仪器研发；徐涛（１９７２一），男，工程师。研究方向：测井仪器研发；郝向凯（１９６０一），男．助理工程师，研究方向：测井工程监督；高志强（１９６６一），男，助理工程师，研究方向：测井仪器维修。

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