基于C8051F040單片機(jī)的CAN總線測試模式研究

摘要：現(xiàn)場總線已成為數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域中最為活躍的熱點，CAN總線被公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場總線之一，CAN總線節(jié)點的設(shè)計、調(diào)試是CAN總線通訊系統(tǒng)設(shè)計的重點。在此介紹了C8051F040單片機(jī)內(nèi)部集成的CAN控制器，并基于C8051F040單片機(jī)設(shè)計了一個CAN通信節(jié)點，并給出了CAN節(jié)點測試模式軟件設(shè)計程序，可以用于CAN總線模塊的測試，節(jié)省測試時間。
關(guān)鍵詞：C8051F040；CAN總線；測試模式；CAN控制器

    現(xiàn)場總線能同時滿足過程控制和制造業(yè)自動化的需求，因而現(xiàn)場總線已成為數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域中最為活躍的一個領(lǐng)域。現(xiàn)場總線的研究和應(yīng)用已成為數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域的熱點。CAN總線(Controller Area Network)屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種支持分布式控制和實時控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線是德國博士公司在20世紀(jì)80年代為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制和測試儀器之間的數(shù)據(jù)通信而開發(fā)的一種串行通信協(xié)議。由于其高性能、高可靠性、及獨特的設(shè)計，CAN總線越來越受到人們的重視，其應(yīng)用領(lǐng)域不再局限于汽車工業(yè)，而向過程工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、紡織工業(yè)、農(nóng)用機(jī)械、傳感器以及航空航天等領(lǐng)域發(fā)展。被公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場總線之一。

1 引言
    Cygnal公司開發(fā)的51系列單片機(jī)C8051F040是完全集成的混合信號系統(tǒng)型微控制器，其上集成可實現(xiàn)全功能CAN的CAN總線控制器，完全符合CAN規(guī)范2．0A和2．0B。本文利用C8051F040單片機(jī)上集成的CAN控制器，外接一個CAN收發(fā)器(PCA82C250)設(shè)計了一個CAN通信節(jié)點的硬件電路，然后詳細(xì)介紹了CAN控制器測試模式的實現(xiàn)，可以應(yīng)用于CAN通信節(jié)點的調(diào)試測試。

2 C8051F040單片機(jī)上集成的CAN控制器
    CAN控制器包括CAN核，消息存儲器，消息處理器，控制寄存器和模塊接口等幾部分。CAN核用于協(xié)議控制和消息的串并轉(zhuǎn)換；消息存儲器用于存儲消息對象和標(biāo)志符；消息處理器用于控制CAN核和消息存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸；控制寄存器用于控制和配置CAN控制器；模塊接口用于MCU與CAN控制器之間交換數(shù)據(jù)。C8051F040單片機(jī)上集成的CAN控制器的消息存儲器上可以存儲32個消息對象，均可以被配置為發(fā)送或接收對象。CAN總線協(xié)議處理由CAN控制器獨立完成，不用MCU干預(yù)，因此CAN通信占用的CPU帶寬很小，C8051F040集成CAN控制器原理如圖1所示。

3 CAN控制器工作模式
    C8051F040單片機(jī)上集成的CAN控制器主要有2種工作模式：正常工作模式和測試模式。可以通過將CAN控制器寄存器中的Test位置1，進(jìn)入測試模式。在測試模式下，測試寄存器中的Tx1，Tx0，LBack，Silent以及Basic位均是可寫的。將Test位置0后，測試寄存器的所有功能將被禁止。測試模式又可細(xì)分為沉默模式(又叫監(jiān)測模式)、回送模式、基本模式以及回送和沉默模式結(jié)合等4種工作模式。通過將測試寄存器
中的Silent位置1，可將CAN核設(shè)置為沉默模式。在沉默模式下，CAN核能夠接收有效數(shù)據(jù)幀和有效遠(yuǎn)程幀，但是只能在總線上發(fā)送隱性位而不能進(jìn)行傳輸。圖2為在沉默模式下CAN_TX和CAN_RX信號同CAN核的聯(lián)系。通過將測試寄存器的LBack位置1，可以將CAN核設(shè)置為回送模式。在回送模式下，CAN核將它發(fā)送的消息當(dāng)作接收到的消息對待，并存儲在接收緩存中。

    圖3為在回送模式下CAN_TX和CAN_RX信號同CAN核的聯(lián)系。通過將LBack和Silent同時置1，可以將回送模式和沉默模式結(jié)合。這種模式可以應(yīng)用于熱自檢，可以在不影響CAN系統(tǒng)運行的情況下，對CAN節(jié)點進(jìn)行自檢。在這種模式下，CAN_RX引腳與CAN核斷開，CAN_TX引腳被保持為隱性位。圖4為在這種模式下CAN_TX和CAN_RX信號同CAN核的聯(lián)系。若將測試寄存器中的Basic置1，CAN核便工作于基本模式下。在這種模式下消息存儲器不工作，即不用消息隊列緩存交換數(shù)據(jù)，而把IF1寄存器用作傳輸緩存，把IF2寄存器用作接收緩存。

4 CAN通信節(jié)點硬件設(shè)計
    C8051F040上集成的CAN控制器是一個協(xié)議控制器，不能提供物理層驅(qū)動，需要外接CAN收發(fā)器才能掛接在CAN網(wǎng)絡(luò)上與其他節(jié)點通信。本文采用PCA82C250收發(fā)器作為物理層驅(qū)動器。若在CAN控制器和PCA82C250之間加入光藕隔離器件可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，但這會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。本文的目的主要是調(diào)試CAN控制器的測試模式，所以沒有使用光藕隔離器件。CAN通信節(jié)點原理圖如圖5所示。

5 軟件設(shè)計
    基于C8051F040的CAN通信節(jié)點的軟件設(shè)計主要包括3個部分：CAN節(jié)點初始化、報文發(fā)送和報文接收。熟悉這3部分程序的設(shè)計，就能寫出普通的CAN通信程序。
5．1 CAN初始化
    初始化CAN控制器的一般步驟如下：
    (1)將SFRPAGE寄存器設(shè)置為CAN0_PAGE。
    (2)將CAN0CN寄存器的INIT和CCE位設(shè)置為“1”。
    (3)設(shè)置時序參數(shù)。
    (4)啟動CAN控制器。
    由于本文要研究的是測試模式，所以最后要進(jìn)入測試模式。