基于ARM處理器的CAN節(jié)點(diǎn)可靠性設(shè)計(jì)

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，基于ARM在嵌入式系統(tǒng)方面的優(yōu)勢(shì)和CAN總線的廣泛應(yīng)用，目前越來(lái)越多的ARM處理器內(nèi)部自帶了CAN控制器，極大的方便了開(kāi)發(fā)人員對(duì)CAN總線的開(kāi)發(fā)。本課題是基于ARM2104的微處理器CAN總線系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)，采用CAN總線可以將節(jié)點(diǎn)控制器直接安裝在現(xiàn)場(chǎng)，數(shù)據(jù)經(jīng)處理后發(fā)送到總線上，實(shí)現(xiàn)了信息的全數(shù)字方式傳輸，提高了傳輸?shù)目垢蓴_能力，增加了信息的傳輸量。

總體設(shè)計(jì)方案

本課題中所設(shè)計(jì)的是CAN總線系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

CAN總線系統(tǒng)應(yīng)用要求：CAN總線接口的擴(kuò)展、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。

CAN節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)主要是CAN通信控制器與微處理器之間、CAN總線收發(fā)器與物理總線之間的電路的設(shè)計(jì)。微控制器主要負(fù)責(zé)CAN控制器的初始化，進(jìn)行與CAN控制器的數(shù)據(jù)傳遞，并按照預(yù)定的程序進(jìn)行處理；CAN的通信協(xié)議主要由CAN控制器完成，CAN控制器主要負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)以CAN報(bào)文的形式傳遞，并進(jìn)行系統(tǒng)的診斷、測(cè)試以及處理CAN總線上的錯(cuò)誤等；而CAN總線收發(fā)器是CAN控制器和CAN總線之間的接口，完成物理電平的轉(zhuǎn)換，功能是增大通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護(hù)總線，降低射頻干擾（RFI）。

通常一個(gè)完整的CAN節(jié)點(diǎn)應(yīng)該包括三個(gè)部分：微控制器、CAN控制器、CAN收發(fā)器。目前廣泛流行的CAN總線器件有兩大類:一類是獨(dú)立的CAN控器，另一類是帶有在片CAN的微控制器。

CAN節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)

對(duì)于CAN節(jié)點(diǎn)硬件電路的的各接口電路的設(shè)計(jì)有：CAN接口電路、CPU模塊、外圍電路（復(fù)位電路和JATG接口電路）。其中CPU及電源電路如下圖2所示：

圖2 CPU及電源模塊

LPC2104要使用兩組電源,I/O供電電源為3.3V應(yīng)用系統(tǒng)。首先，電源DW1將電源整流，經(jīng)過(guò)C1、C3濾波，然后通過(guò)78M05將電源穩(wěn)壓至5V，再使用LDO芯片（低差壓電源芯片）穩(wěn)壓輸出3.3V及1.8V電壓。LD0芯片采用S-1131B33UC和S-1131B18UC，其特點(diǎn)為輸出電流大、精度高、穩(wěn)定性高、功耗低。

設(shè)計(jì)中的CPU芯片與控制器SJA1000的配腳圖如圖3所示。

圖3 模擬總線硬件圖

CAN節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

CAN節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要包括ARM處理器的編程和SJA1000驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。在硬件電路確定以后，系統(tǒng)控制的主要功能將依賴于軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)能否正?？煽康墓ぷ鳎擞布暮侠碓O(shè)計(jì)以外，與功能完善的軟件設(shè)計(jì)是分不開(kāi)的。

軟件程序流程圖如下圖4所示：

圖4 主程序流程圖

配置軟件包使用的GPIO必須在文件config.h中進(jìn)行，其程序清單如列表1所示，其中程序清單（1）設(shè)置地址總線的寬度，只能為8、16、和24三個(gè)值之一。清單（2）設(shè)置信號(hào)AD0對(duì)應(yīng)GPIO，其中0對(duì)應(yīng)P0.0,1對(duì)應(yīng)P0.1,以此類推。地址/數(shù)據(jù)總線的其它信號(hào)以這個(gè)信號(hào)為基準(zhǔn)，順序定義。清單（3）信號(hào)ALE對(duì)應(yīng)GPIO,其中0對(duì)應(yīng)P0.0,1對(duì)應(yīng)P0.1,以此類推。清單（4）信號(hào)WR對(duì)應(yīng)GPIO,其中0對(duì)應(yīng)P0.0,1對(duì)應(yīng)P0.1,以此類推。

程序清單列表1 配置總線使用的GPIO

#define ADDR_N_BIT 16 (1)

#define AD0_PIN_NUM 8 (2)

#define ALE_PIN_NUM 0 (3)

#define WR_PIN_NUM 1 (4)

#define RD_PIN_NUM 4 (5)

#include“exbus.h” (6)

本系統(tǒng)CAN控制器采用SJA1000，SJA1000控制器在微控制器正常通訊前，都必須先在相應(yīng)地址寄存器中加載，確定接收標(biāo)識(shí)碼、總線接收波特率以及輸出控制等，這就是CAN控制器的初始化。系統(tǒng)所用的CAN總線控制器SJA1000和CAN2.0A以及CAN2.0B兩個(gè)版本的協(xié)議同時(shí)兼容。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)以CAN2.0A的BasICCAN為協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

測(cè)試之前編寫(xiě)的程序前首先要確定SJA1000的片選地址，確定與其他外部存儲(chǔ)器無(wú)沖突。其次，微處理器對(duì)SJA1000的控制訪問(wèn)是以外部存儲(chǔ)器的方式，來(lái)訪問(wèn)SJA1000的內(nèi)部寄存器，所以應(yīng)該正確定義微處理器訪問(wèn)SJA1000時(shí)，SJA1000內(nèi)部寄存器的訪問(wèn)地址。

整個(gè)流程進(jìn)行測(cè)試之后，SJA1000有8個(gè)不同的中斷，這些中斷可使主控制器立即作用在CAN控制器的某些狀態(tài)上。一旦CAN產(chǎn)生中斷，SJA1000就將中斷輸出（管腳16）設(shè)為低電平，直到主控制器通過(guò)讀SJA1000的中斷寄存器對(duì)中斷采取相應(yīng)措施，在主控制器響應(yīng)后中斷，或接收INFO里有更多有效數(shù)據(jù)，SJA1000立刻將中斷輸出再次設(shè)為低電平。采用中斷接收的方式來(lái)接收數(shù)據(jù)，LPC2104的P0.16設(shè)置為外部中斷INT，整個(gè)數(shù)據(jù)接收模塊由數(shù)據(jù)接收函數(shù)void ReceivEDAta(uint8 *Rt)、中斷處理函數(shù)CANException(void)構(gòu)成。當(dāng)SJA1000接收到CAN總線數(shù)據(jù)，通過(guò)接收中斷使得LPC2104產(chǎn)生外部中斷INT而使其進(jìn)入中斷處理函數(shù)，進(jìn)而對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

可想，在CAN節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)的整個(gè)流程中，當(dāng)硬件電路確定以后，系統(tǒng)控制的主要功能將依賴于軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且能夠正常可靠的工作。

結(jié)論

以ARM芯片作為主控制器，CAN總線作為數(shù)據(jù)傳輸方式來(lái)進(jìn)行通訊的嵌入式系統(tǒng)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。同時(shí)CAN通訊的可靠性也成為影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵部分之一。

本文以LPC2104為例，給出了一類微處理器與CAN控制器SJA1000之間的較為通用的硬件連接方法，對(duì)CAN總線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了可靠性設(shè)計(jì)，采用CAN總線可以將節(jié)點(diǎn)控制器直接安裝在現(xiàn)場(chǎng)，數(shù)據(jù)經(jīng)處理后發(fā)送到總線上，實(shí)現(xiàn)了信息的全數(shù)字方式傳輸，提高了傳輸?shù)目垢蓴_能力，增加了信息的傳輸量。

該設(shè)計(jì)現(xiàn)已在工廠車間中的車身控制系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，且運(yùn)行可靠。