制造行业的发展趋势是更快、更高效和更灵活，为此制造商们正在努力实现开放式分布控制架构。工业CAN I/O模块包含8个模拟输入、16个数字输入、16个数字输出，以及一个兼容高速CAN收发器2.1 A/B的控制器和可选的RS232/RS485收发器。该方案基于飞思卡尔的16位MC9S12DP256微控制器单元。CAN物理收发器有两个可行的替代产品，一个是容错CAN接口MC33388,一个是带多输出电源的高速CAN MC33394.CAN接口与ISO 118?8兼容，允许数据传送速率为500kbps.数字输入用的是开关监视接口MC33884芯片，数字输出用低端功率开关器件MC33298实现。

　　本文讨论的模块可以用作高层通信协议软件开发的硬件平台。另外，该模块可以用于用户软件的实现和测试。基于这一目的，电路板需要配备重新编程和调试用的后台调试模式（BDM）接口。工业CAN I/O模块从逻辑上分成基板、电源和I/O板三个基本电路板。板与板之间的数据传送由串行外设接口（SPI）协议保证。

　　基板的组成

　　工业CAN I/O模块中基板的主要功能是对模块实施控制，并与系统控制单元进行通信。基板配备有8个模拟通道。基板从逻辑上又可以分成微控制器模块、CAN接口、模拟输入和RS232_485接口4个模块。

　　a.微控制器模块

　　微控制器是将微型计算机的主要部分集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。微控制器诞生于20世纪70年代中期，经过20多年的发展，其成本越来越低，而性能越来越强大，这使其应用已经无处不在，遍及各个领域。例如电机控制、条码阅读器/扫描器、消费类电子、游戏设备、电话、HVAC、楼宇安全与门禁控制、工业控制与自动化和白色家电（洗衣机、微波炉）等。微控制器（Microcontroller Unit,即MCU）可从不同方面进行分类：根据数据总线宽度可分为8位、16位和32位机；根据存储器结构可分为Harvard结构和Von Neumann结构；根据内嵌程序存储器的类别可分为OTP、掩膜、EPROM/EEPROM和闪存Flash;根据指令结构又可分为CISC（Complex Instruction Set Computer）和RISC（Reduced Instruction Set Computer）微控制器。

　　16 位MC9S12DP256微控制器单元（MCU）是基板的主要组成部分。工业CAN I/O模块使用了内嵌于MCU 的5个CAN外设之一（CAN0）。根据BOSCH规范的定义，该外设是一个用于实现CAN 2.0A/B协议的通信控制器。CAN外设是MSCAN（摩托罗拉可伸缩CAN）的一种特定实现。它使用了2个外部引脚，一个输入（RxCAN0）和一个输出（TxCAN0）通过CAN收发器与CAN总线进行通信。一个输出信号用于实现对CAN收发器芯片的控制。

　　如上所述，板之间的数据传送是由SPI协议保证的。SPI模块可以实现MCU与外设之间的全双工串行通信。工业CAN I/O模块使用了MCU的3个SPI外设中的一个（SP0）。该 SPI可以被配置为主模式或从模式。SPI0外设必须选择主模式，因为只有主SPI才能发起到外设的传送。

　　工业CAN I/O模块使用了内嵌于MCU的两个8通道模数转换器中的一个（AN0）。A/D模块执行模拟到数字的转换，该模块包含了简单模数转换所必需的模块和数字电子电路。A/D转换器的分辨率（8位或10 位）是可编程选择的。在工作电压为5V时，模块可以接受5V输入而不会导致性损坏。

　　基板上有一个8位DIP开关，用于配置节点地址（节点识别号）以及CAN速度。与主机开发系统的单线通信是通过用片上硬件实现的BDM系统完成，与目标系统的连接通过标准的6引脚BDM连接器实现。

　　b.CAN接口

　　CAN是控制器局域网络（Controller Area Network, CAN）的简称，是由研发和生产汽车电子产品着称的德国BOSCH公司开发了的，并终成为国际标准（ISO11898）。是国际上应用广泛的现场总线之一。 在北美和西欧，CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线，并且拥有以CAN为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议。近年来，其所具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视，被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。

　　每个 CAN节点是通过收发器芯片实现与CAN总线的物理连接。收发器能够驱动CAN总线所需要的大电流，并具有隔离故障CAN或故障站的电流保护功能。基板上的CAN收发器有两个可选项：一个是使用容错CAN接口MC33388;另一个使用MC33394器件的高速CAN收发器部分。模块使用MC33394器件的高速CAN收发器部分，同时也是电源板的一部分。

　　c.模拟输入

　　模块共提供了8个模拟通道。在每个模拟通道的输入部分都有一个衰减斜率是-40dB/dec、截止频率为1kHz的无源低通滤波器。输入滤波器用于滤除在采样之前引入的高频噪声和干扰。模拟通道可以被配置为电压或电流模式。250欧姆电阻为4到20mA的电流环路提供电流检测和实用的过流保护。模拟通道的电压输入如信号的范围是0到10V、0到5V以及-5V到+5V、-2.5V到+2.5V,电流范围是4到20mA.输入范围由微控制器控制。

　　d.RS232_485接口

　　RS-232-C是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。RS是英文"推荐标准"的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，通信距离为15m;若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。

　　基板提供了一个用于连接PC或类似主机的RS232接口，以及一个用于工业应用的RS485接口。

　　电源板

　　电源板能够提供工业CAN I/O模块所需的所有电源。

　　电源板的主器件是一个带高速CAN收发器的多输出电源集成电路PC33394.该器件内置有开关型整流器，可提供预调节的输出，后面紧跟一个低压降输出 （LDO）调节器。并应用并没有用到PC33394的全部功能。内部开关调节器集成了实现降压/生压整流器的电路。该电路眼板上只实现了降压调节器。回扫转换器提供对称的电压为模块的模拟通道供电。变压器输出电压经整流后由线性稳压器产生一对称的+12V、-12V输出电压。

　　高速CAN收发器的物理层将微控制器的CMOS输出及差分总线相接。CAN驱动器具有短路保护功能，可以容许失去电池或接地条件。

　　I/O板

　　I/O板提供16个数字输入和16个数字输出。I/O板通过连接器连接到基板。从逻辑上I/O板可以分成数字输入和数字输出两个基本模块。

　　a.输入模块

　　板上有2个开关监测接口器件MC33884,它们提供了电子开关和微控制器之间的接口。MC33884监测系统中使用的多个外部开关的开/关状态。该器件提供开关触点的上拉和下拉电流，同时监测输入电压电平。所有输入电路都能防止输入端使用的静态放电电容引起的瞬态。

　　MC33884可运行在以下4种模式中的一种：睡眠、正常、轮询和轮询+INT定时器。所有工作模式都可以通过SPI控制进行编程，SPI命令的响应将返回开关状态和模式设置。

　　该模块使用4个可编程开关到地或电池感应输入，以及每个MC33884的4个开关到地的感应输入。板上的MC33884以并行方式配置使用。

　　b.输出模块

　　板上的2个低端电源开关MC33298能使MCU直接控制各种感性或白热负载。板上的器件也可通过SPI控制进行编程，并以并行配置方式使用。SPI命令的响应将返回器件输出开关的状态。发光二极管D1到D16也反映器件的输出开关状态。LED闪烁表示开状态。

　　应用介绍

　　设计工业CAN I/O板样板的目的是要展示模块在利用CAN连接性的主要特性。对于msCAN外设模块来说，msCAN驱动程序软件已成功用来创建初始化和可读性更高的应用例程，而总的循环时间能够得到显着减少。

　　模块从上层器件接收配置信息，并返回输入/输出的状态，表1列出了模块的所有事件。工业CAN I/O模块参考设计提供了基于飞思卡尔HCS12和APD器件的工业CAN的应用描述，可以参看飞思卡尔网站。