基于飛利浦P8XC591的CAN總線節(jié)點擴展

引言

由于CAN總線具有通訊速率高、可靠性高、連接方便和性能價格比高等諸多特點，CAN的應(yīng)用范圍遍及從高速網(wǎng)絡(luò)到低成本的多線路網(wǎng)絡(luò)。在自動化電子領(lǐng)域的汽車發(fā)動機控制部件、傳感器、抗滑系統(tǒng)、工業(yè)自動化、建筑物環(huán)境控制、機床或電梯控制、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用。

CAN 的信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為 8個，因而傳輸時間短、受干擾的概率低。當節(jié)點嚴重錯誤時，具有自動關(guān)閉的功能以切斷該節(jié)點與總線的聯(lián)系，使總線上的其它節(jié)點極其通信不受影響，具有較強的抗干擾能力和檢錯能力。CAN控制器支持四種不同的CAN協(xié)議類型：數(shù)據(jù)幀、遠程幀、出錯幀和超載幀。

CAN支持多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任何節(jié)點均可在任意時刻主動向其它節(jié)點發(fā)送信息，支持點對點、一點對多點和全局廣播方式接收/發(fā)送數(shù)據(jù)。它采用總線仲裁技術(shù)，當出現(xiàn)幾個節(jié)點同時在網(wǎng)絡(luò)上傳輸信息時，優(yōu)先級高的節(jié)點可繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級低的節(jié)點則主動停止發(fā)送，從而避免了總線沖突。

    CAN總線信號傳輸介質(zhì)使用特性阻抗為120歐姆的雙絞線，信號傳輸方式和RS485一樣，也采用差動發(fā)送和差動接收的方式。理論上使用CAN2.0A總線的節(jié)點可達到2032個，CAN2.0B則可以達到5億多個。使用PCA82C250作為CAN總線的收發(fā)器時，CAN直接通信距離最遠可達到10km(傳輸率為5kbps)，通訊速率最高可達1Mbps(傳輸距離為40m)；由于收發(fā)器的限制， CAN總線上節(jié)點數(shù)實際上最多可達110個。對于節(jié)點超過110個的CAN網(wǎng)絡(luò)，可以使用CAN網(wǎng)關(guān)對CAN總線進行擴展，以達到用戶的要求。

網(wǎng)關(guān)可以采用特定的控制邏輯去控制一對背-背相接的收發(fā)器PCA82C250，連接兩個物理上完全獨立的CAN網(wǎng)，雙向傳輸數(shù)據(jù)，從物理層上來看，它實現(xiàn)了CAN總線信號的中繼，也可以采用P8XC591+SJA1000的結(jié)構(gòu)去實現(xiàn)。下面將著重介紹后者的硬件及軟件實現(xiàn)。

P8XC591片上自帶CAN的微控制器

P8XC591是一個高性能的微控制器，它的硬件接構(gòu)及增強型的飛利浦“RX+內(nèi)核”使得其可以廣泛用于工業(yè)控制和汽車領(lǐng)域。片上自帶的CAN控制器為CAN的應(yīng)用提供了許多專用的硬件功能。P8XC591完全履行CAN2.0B規(guī)范，并提供一個直接從SJA1000獨立CAN控制器的軟件移植路徑。P8XC591具有CAN的擴展特性，其中包括增強型接收濾波器、支持系統(tǒng)維護、診斷、系統(tǒng)優(yōu)化以及接收FIFO特性等。   

P8XC591除了標準的外圍功能以外，還有一個強大的CAN控制器模塊。該嵌入式CAN控制器還包括了下列功能模塊：CAN內(nèi)核模塊，根據(jù)CAN2.0B規(guī)范控制CAN幀的發(fā)送和接收；CAN接口模塊，包含5個實現(xiàn)CPU與CAN控制器連接的特殊功能寄存器，對重要CAN寄存器的訪問通過快速自動增加的尋址特性和對特殊功能寄存器的位尋址來實現(xiàn)；CAN控制器的發(fā)送緩沖區(qū)模塊，能夠保存一個完整的CAN信息擴展或標準幀格式。只要通過CPU啟動發(fā)送信息，字節(jié)就從發(fā)送緩沖區(qū)傳輸?shù)紺AN內(nèi)核模塊。當接收一個信息時，CAN內(nèi)核模塊將串行位流轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)輸入到接收濾波器，通過該可編程濾波器，P8XC591確定實際收到的信息，所有由接收濾波器接收的數(shù)據(jù)都保存在接收FIFO(64字節(jié))中，由于操作模式和數(shù)據(jù)長度的不同，該接收緩沖區(qū)最多可保存21個CAN信息。這使用戶在指定系統(tǒng)的中斷服務(wù)和中斷優(yōu)先級時有更多的靈活性，因為數(shù)據(jù)溢出的可能性大大降低。

除了普通的CAN特性以外，P8XC591還提供增強型PeliCAN。PeliCAN具有4個獨立可配置的接收濾波器組，每個組都有4個可選的接收濾波器配置；每個接收濾波器都有32位區(qū)分符、32位代碼和32位屏蔽；所有濾波器配置都可在運行中改變；支持更高層的協(xié)議的接收濾波器；接收FIFO特性；只聽模式及自檢測模式；只有達到FIFO接收中斷級才產(chǎn)生接收中斷；在接收到高優(yōu)先級數(shù)據(jù)幀時立即產(chǎn)生接收中斷；系統(tǒng)維護診斷和優(yōu)化特性。

    硬件電路設(shè)計

硬件電路的設(shè)計采用了飛利浦片上自帶CAN控制器的單片機P8XC591和獨立的CAN控制器SJA1000。兩者都支持CAN 2.0B協(xié)議。P87C591片上自帶的CAN控制器在軟件上是向上兼容SJA1000的。

    P8XC591所連接的CAN節(jié)點電路所需要的外部元件僅僅是一個晶振加兩個電容驅(qū)動片內(nèi)振蕩器、一個連接到復位腳的電阻、電容。使用片內(nèi)上電復位電路以及一個收發(fā)器用于將P8XC591連接到CAN總線。

    P8XC591通過對CAN的特殊功能寄存器，如地址寄存器(CANADR)、數(shù)據(jù)寄存器(CANDAT)、模式寄存器(CANMOD)、控制寄存器(CANCON)、狀態(tài)寄存器(CANSTA)、總線定時寄存器(BTR0,BTR1)等的設(shè)置，以及對收發(fā)緩沖區(qū)的讀寫(接收緩沖區(qū)為64字節(jié)的FIFO緩沖區(qū)，最多儲存21幀CAN信息)，從而完成和其它CAN節(jié)點的數(shù)據(jù)交換。

 CAN的控制器分別采用了PXC591和SJA1000，可完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能。CAN收發(fā)器使用飛利浦公司的PCA82C250，它是連接CAN控制器和物理總線之間的接口，提供了對總線的差動發(fā)動和接收能力。它與ISO11898標準完全兼容，有三種不同的工作方式即高速、斜率控制和待機，可根據(jù)實際情況選擇。為了進一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在控制器SJA1000和收發(fā)器PCA82C250之間，P87C591和收發(fā)器PCA82C250之間均增加了由高速隔離器件6N137 構(gòu)成的隔離電路。硬件電路中使用PCA82C250是為了增加通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護總線、降低干擾等。

微處理器P87C591和SJA1000均使用12MHz的石英晶體，以獲得相同的時鐘信號。由于 P87C591含有片上的CAN控制器，通過TXDC,RXDC兩個管腳，P87C591就可和外部的CAN節(jié)點交換數(shù)據(jù)。另一方面，P87C591直接控制SJA1000的AD0~AD7, RD, WR, ALE, RST和INT管腳，SJA1000的MODE管腳接高電平，工作在Intel模式下；片選CS管腳接地，使SJA1000始終處于選通狀態(tài)。P87C591對SJA1000的操作主要是對寄存器中的模式寄存器(MOD)、命令寄存器(CMR)、狀態(tài)寄存器(SR)、中斷寄存器(IR)、中斷允許寄存器(IEP)、總線定時寄存器(BTR0, BTR1)、輸出控制寄存器(OCR)、時鐘分頻計數(shù)器(CDR)進行設(shè)置和檢測，以及對收發(fā)緩沖區(qū)進行讀寫，從而完成和其它CAN節(jié)點的數(shù)據(jù)交換。

為了能使CAN網(wǎng)絡(luò)1(最多110個節(jié)點)的信息和CAN網(wǎng)絡(luò)2(最多110個節(jié)點)的信息共享，P87C591在軟件上必須使得任何格式的數(shù)據(jù)能實時的從CAN網(wǎng)絡(luò)1傳送到CAN網(wǎng)絡(luò)2，以及信息從CAN網(wǎng)絡(luò)2傳送到CAN網(wǎng)絡(luò)1。這樣，兩個不同的子網(wǎng)就實現(xiàn)了互聯(lián)，CAN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點得到了擴展。

    軟件設(shè)計

*在初始化SJA1000時，必須設(shè)置接收代碼寄存器ACRn，接收代碼屏蔽寄存器AMRn的值為FF，以能收發(fā)所有的數(shù)據(jù)。由于P87C591片上自帶的CAN控制器在軟件上是向上兼容SJA1000的，所以對SJA1000的初始化，讀、寫的流程與P87C591基本類似。

初始化部分的原程序如下：

#include<reg591.h>

viod ini_can_controller (void)

{

CANMOD=0x01； /*進入復位模式，啟動CAN初始化*/

P1M2=P1M2 I 0x02； /*管腳TXDC設(shè)置為推挽模式*/

CANSTA=0x03； /*使能接收和發(fā)送中斷*/

CANADR=BTR0； /*BTR0和BTR1編程為125kbit/s@12MHz*/

CANDAT=0x45；

CANADR=BTR1； /*TSEG1=12, TSEG2=3, SJW=2*/

CANDAT=0x2B； /*用戶可根據(jù)具體的CAN網(wǎng)絡(luò)來調(diào)整BTR0, BRT1的參數(shù)*/

CANADR=AMR10； /*設(shè)定接收屏蔽寄存器的地址*/

CANDAT=0xFF； /*Bank1: 與接收屏蔽寄存器1無關(guān)，允許任何數(shù)據(jù)通過濾波器*/

CANDAT=0xFF； /*Bank1: 與接收屏蔽寄存器2無關(guān)，允許任何數(shù)據(jù)通過濾波器*/

CANDAT=0xFF； /*Bank1: 與接收屏蔽寄存器3無關(guān)，允許任何數(shù)據(jù)通過濾波器*/

CANDAT=0xFF； /*Bank1: 與接收屏蔽寄存器4無關(guān)，允許任何數(shù)據(jù)通過濾波器*/

CANADR=ACFMODE； /*設(shè)定接收濾波器模式寄存器的地址*/

CANDAT=0x01； /*設(shè)定BANK1為單濾波模式，標準幀*/

CANADR=ACFENA； /*設(shè)定接收濾波器使能寄存器的地址*/

CANDAT=0x01； /*使能BANK1的濾波器1*/

CANMOD=0x00； /*請求進入CAN的激活模式*/

while (CANSTA & 0x80)； /*等待總線激活*/

}

類似以上的設(shè)置可以使得所有的CAN信息都通過CAN的連接濾波器而到達接收緩沖區(qū)，從而為不同CAN網(wǎng)絡(luò)信息的交換奠定了基礎(chǔ)。