基于單片機(jī)的某車型CAN總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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關(guān)鍵詞：AT90CAN128；單片機(jī)；CAN總線；聯(lián)合制動(dòng)；通訊協(xié)議
引言
現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)[1]是目前自動(dòng)化控制領(lǐng)域發(fā)展比較迅速的一門技術(shù)，其中CAN（Controller Area Network）總線[2]是在國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。近幾年隨著汽車電子行業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代汽車中CAN總線已經(jīng)成為必須采用的裝置之一。本文以ATMEL公司新近生產(chǎn)的一款內(nèi)置CAN控制器的單片機(jī)——AT90CAN128為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一款車載CAN總線系統(tǒng)，通過CAN智能測(cè)控儀表對(duì)車中部分單元參數(shù)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，使各單元之間協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)。另外，傳輸線束大大簡(jiǎn)化，可靠性得到了極大的提高，有效節(jié)約了線束安裝空間和系統(tǒng)成本。
1 AT90CAN128特性概述
1．1 基本特性
AT90CAN128[3]是基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器，它采用了先進(jìn)的指令集以及單周期指令執(zhí)行時(shí)間，其數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，其內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。所有寄存器都直接與ALU相連接。通過將8位RISC CPU與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash集成在一個(gè)芯片內(nèi)，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的方案。
1．2 內(nèi)置CAN控制器概述
AT90CAN128內(nèi)置有完全符合CAN2.0A和2.0B標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的CAN控制器。采用MOb（消息對(duì)象）方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，共有15個(gè)MOb，它們具有相同的屬性：有11位標(biāo)識(shí)符（2.0A協(xié)議），也可擴(kuò)展至29位（2.0B議）；8位數(shù)據(jù)緩沖（靜態(tài)分配）；Tx，Rx幀
緩沖或自動(dòng)響應(yīng)配置；時(shí)間標(biāo)識(shí)。CAN控制器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1、CAN控制器結(jié)構(gòu)
MOb是一個(gè)CAN消息幀的描述符。它包括處理一個(gè)CAN消息幀的所有信息。這意味著一個(gè)MOb可以看成一個(gè)對(duì)象，來描述一條CAN消息。MOb的數(shù)目是從0到14。它們相互獨(dú)立，但在多重比較的時(shí)候，低位的MOb會(huì)獲得優(yōu)先權(quán)。每個(gè)MOb都被安置在一個(gè)頁中來保存。頁的序號(hào)就是MOb的序號(hào)。
2 車載CAN總線控制系統(tǒng)[4]的設(shè)計(jì)
由于對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高，所以采用高速CAN總線，信息傳輸速度為500kbps，連接的主要對(duì)象有：駕駛員計(jì)算機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、自動(dòng)變速器、安全氣囊、儀表信號(hào)采集系統(tǒng)、聯(lián)合制動(dòng)系統(tǒng)等。由于各個(gè)節(jié)點(diǎn)作用不同，所以在硬件搭建和軟件設(shè)計(jì)以及通信協(xié)議的制定上都采用了相應(yīng)的方案。下面以聯(lián)合制動(dòng)單元為例，做具體分析。
聯(lián)合制動(dòng)單元接收由駕駛員計(jì)算機(jī)終端發(fā)送的CAN總線消息命令，根據(jù)對(duì)液力制動(dòng)扭矩、機(jī)械制動(dòng)扭矩、合成扭矩等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)的狀態(tài)，經(jīng)過電液控制算法計(jì)算，實(shí)現(xiàn)前驅(qū)、后驅(qū)制動(dòng)控制。對(duì)正常制動(dòng)回路油位、緊急制動(dòng)回路油位的報(bào)警等信息，通過CAN總線反饋給駕駛員計(jì)算機(jī)終端。
2．1 聯(lián)合制動(dòng)單元硬件電路組成
以AT90CAN128單片機(jī)作為控制系統(tǒng)核心，外圍設(shè)有8路光隔模擬量輸入、4路模擬量輸出、多路光隔開關(guān)量輸入、輸出、LED報(bào)警及CAN總線收發(fā)器，總線的接口芯片選用的是Philips公司的PCA82C250。具體結(jié)構(gòu)見圖2。
圖2、制動(dòng)單元硬件框圖
2．2 通信協(xié)議制定
2．2．1 各終端消息標(biāo)識(shí)符的定義
表1定義了駕駛員計(jì)算機(jī)終端及聯(lián)合制動(dòng)單元之間相互通訊的消息標(biāo)識(shí)符。
表1、各終端的消息標(biāo)識(shí)符
采用CAN擴(kuò)展幀的29位標(biāo)識(shí)符進(jìn)行定義，其中P為3位優(yōu)先級(jí)；R為保留擴(kuò)展位；8位的BW為報(bào)文類型代碼；8位的BD為目標(biāo)地址或報(bào)文類型擴(kuò)展碼；8位的BY為發(fā)送報(bào)文源地址。部分設(shè)備節(jié)點(diǎn)名稱和分配地址如下：主駕駛員終端地址10、副駕駛員終端地址20、聯(lián)合制動(dòng)單元地址30。
2．2．2 各消息類型和命令值內(nèi)容的定義
駕駛員計(jì)算機(jī)終端對(duì)聯(lián)合制動(dòng)單元的控制消息內(nèi)容為2個(gè)字節(jié)——命令類型和命令值。命令類型包括：狀態(tài)查詢命令（數(shù)據(jù)0x1，命令值0x0）、前/后驅(qū)制動(dòng)命令（數(shù)據(jù)0x2/0x3，命令值0x0）、聯(lián)合制動(dòng)單元前/后驅(qū)制動(dòng)信息確認(rèn)（數(shù)據(jù)0x4/0x5，命令值0x0）等。
聯(lián)合制動(dòng)單元提供給駕駛員計(jì)算機(jī)終端的消息內(nèi)容包括：聯(lián)合制動(dòng)單元狀態(tài)信息（7字節(jié)，分別為液力制動(dòng)扭矩、機(jī)械制動(dòng)扭矩、合成扭矩、速度以及緊急回路和正常油壓的數(shù)值，以及正常制動(dòng)回路油位和緊急制動(dòng)回路油位的報(bào)警狀態(tài)）、聯(lián)合制動(dòng)單元報(bào)警信息（2字節(jié)，分別為正常制動(dòng)回路油位報(bào)警和緊急制動(dòng)回路油位的報(bào)警）、聯(lián)合制動(dòng)單元制動(dòng)返回消息（2字節(jié)，分別為收到的前驅(qū)或后驅(qū)制動(dòng)命令的命令數(shù)據(jù)和命令值）等。
2．3 軟件設(shè)計(jì)（CAN總線通訊部分）
2．3．1 初始化部分
初始化前將CAN通用控制寄存器的最高位置1（復(fù)位模式）。完成后，回到操作模式。
下面給出了CAN控制器的初始化程序：
void CAN_INIT ( void )
{
CANGCON = 0x80 ; /*進(jìn)入復(fù)位模式并且復(fù)位MOb*/
while ( ENFG == 1 ) ; /*測(cè)試CANGSTA中的ENFG位是否為0*/
CANGIE = 0xB0 ; /*使能所有中斷及接收、發(fā)送中斷*/
CANIE2 = 0xFF ; /*MOb 0~7中斷使能*/
CANIE1 = 0x00 ; /*MOb 8~14中斷禁止*/
CANBT1 = 0x02 ; /*設(shè)置波特率為500kbps*/
CANBT2 = 0x20 ;
CANBT3 = 0x01 ;
CANTCON = 0x8F ; /*設(shè)置定時(shí)器預(yù)定標(biāo)*/
/*以“聯(lián)合制動(dòng)單元狀態(tài)查詢消息”為例*/
CANPAGE = TX_PAGE ; /*指定此消息的MOb頁（寄存器中的高4位）*/
CANCDMOB = 0x17 ; /*禁止?fàn)顟B(tài)，IDE位為1表示擴(kuò)展幀，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度代碼為7*/
CANIDT1 = 0x84 ; /*標(biāo)識(shí)符設(shè)置*/
CANIDT2 = 0xB1 ;
CANIDT3 = 0x18 ;
CANIDT4 = 0xF2 ;
CANIDM1 = 0xFF ; /*標(biāo)識(shí)符屏蔽設(shè)置*/
CANIDM2 = 0xFF ;
CANIDM3 = 0xFF ;
CANIDM4 = 0xFF ;
CANGCON = 0x02 ; /*進(jìn)入操作模式*/
While ( ENFG == 0 ) ; /*測(cè)試CANGSTA中的ENFG位是否為1*/
}
2．3．2 消息的發(fā)送部分
消息的發(fā)送均采用中斷方式實(shí)現(xiàn)。首先通過設(shè)置CANPAGE寄存器來指定被發(fā)送的頁數(shù)，將數(shù)據(jù)裝載到CANMSG寄存器中，然后由CANCDMOB寄存器來控制發(fā)送動(dòng)作，將消息發(fā)送出去，同時(shí)將觸發(fā)CANSTMOB中的TXOK中斷。
下面以協(xié)議中的“聯(lián)合制動(dòng)單元狀態(tài)查詢命令”為例，給出了發(fā)送程序：
void CAN_TX ( void )
{
CANPAGE = TX_PAGE ; /*指定此消息的MOb頁（寄存器中的高4位）*/
CANMSG = 0x01 ; /*裝載消息數(shù)據(jù)*/
CANMSG = 0x00 ; /*裝載消息命令值*/
CANCDMOB = 0x52 ; /*發(fā)送狀態(tài)，IDE位為1表示擴(kuò)展幀，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度代碼為2*/
}
void CAN_TX_INTER ( void ) /*發(fā)送中斷子程序*/
{
If ( ( CANSTMOB & 0x40 ) == 0x40 ) /*發(fā)送中斷*/
{
CANSTMOB & = 0xBF ; /*清TXOK位*/
CANCDMOB = 0x12; /*停止發(fā)送*/
}
}
2．3．3 消息的接收部分
消息的接收同樣采用中斷方式實(shí)現(xiàn)。先設(shè)置CANPAGE寄存器來指定接收的頁數(shù)，隨后由CANCDMOB寄存器來控制接收動(dòng)作，當(dāng)有消息到達(dá)時(shí)，將觸發(fā)CANSTMOB中的RXOK中斷，消息中的數(shù)據(jù)將被裝載到CANMSG寄存器中。
下面以協(xié)議中的“接收聯(lián)合制動(dòng)單元狀態(tài)信息”為例，給出了接收程序：
void CAN_RX ( void )
{
CANPAGE = RX_PAGE ; /*指定此消息的MOb頁（寄存器中的高4位）*/
CANCDMOB = 0x97 ; /*接收狀態(tài)，IDE位為1表示擴(kuò)展幀，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度代碼為7*/
}
void CAN_RX_INTER ( void ) /*接收中斷子程序*/
{
If ( ( CANSTMOB & 0x20 ) == 0x20 ) /*接收中斷*/
{
CANSTMOB & = 0xDF ; /*清RXOK*/
For ( i = 0 ; i < 7 ; i++ )
{
MObData [ RX_PAGE ] [ i ] = CANMSG ; /*裝載數(shù)據(jù)*/
}
}
}
4 結(jié)束語
與目前同類型的單片機(jī)相比較，AT90CAN128在數(shù)據(jù)采集、PWM（快速PWM模式）等設(shè)計(jì)中都有其明顯的優(yōu)勢(shì)，特別是內(nèi)置了CAN控制器，這讓它在現(xiàn)代自控領(lǐng)域的發(fā)展前景十分樂觀。通過實(shí)踐證明，該車載CAN總線系統(tǒng)運(yùn)行良好，完全可以達(dá)到預(yù)期的功能。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本文由于采用了AT90CAN128單片機(jī)，使得該CAN總線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)的CAN總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)思路有所不同，內(nèi)置CAN控制器可大大降低設(shè)備成本、簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)、通信效率加強(qiáng)、提高了安全性以及可靠性。軟件設(shè)計(jì)上可通過對(duì)MOb的配置，實(shí)現(xiàn)消息隊(duì)列的設(shè)定，這種方法更加的靈活、易懂。
參考文獻(xiàn)：
[1] 史久根，張培仁，陳真勇. CAN現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù). 國(guó)防工業(yè)出版社，2004.第1版
[2] 饒運(yùn)濤，鄒繼軍，鄭勇蕓. 現(xiàn)場(chǎng)總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2003.第1版
[3] AT90CAN128.pdf. www.atmel.com/literature
[4] 王軼，張凡. CAN總線技術(shù)在智能汽車系統(tǒng)中的應(yīng)用. 《微計(jì)算機(jī)信息》2005年第七期47頁
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