Cortex-M3內(nèi)核芯片LM3S2965的CAN總線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

摘要：根據(jù)CAN總線的特性，給出了基于Cortex-M3內(nèi)核的LM3S2965芯片中CAN總線節(jié)點(diǎn)的硬件電路、軟件實(shí)現(xiàn)框架及部分代碼。初始化代碼部分可以直接應(yīng)用在其他CAN總線的接口設(shè)計(jì)中。
關(guān)鍵詞：CAN；Cortex-M3；稱重儀表；現(xiàn)場(chǎng)總線

引言
    CAN總線具有通信速率高、可靠性高、連接方便和性能價(jià)格比高等諸多特點(diǎn)。CAN(Controller Area Network，控制器局域網(wǎng))屬于總線式通信網(wǎng)絡(luò)，它是一種專門用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)，不同于以太網(wǎng)等管理和信息處理用網(wǎng)絡(luò)，其物理特性及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議特性更強(qiáng)調(diào)工業(yè)自動(dòng)化的底層監(jiān)測(cè)及控制。它采用了最新的技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，可靠性和性能超過(guò)了已陳舊的現(xiàn)場(chǎng)通信技術(shù)，如RS485、BITBUS等。
    多數(shù)采用微處理器結(jié)合CAN控制器芯片的硬件方案，軟件實(shí)現(xiàn)上是對(duì)CAN控制器芯片的寄存器編程，比較繁瑣。Luminary Micro公司(現(xiàn)已被TI公司收購(gòu))所提供的Stellaris系列是基于ARM Cortex-M3的控制器，它們?yōu)閷?duì)成本尤其敏感的嵌入式微控制器應(yīng)用方案帶來(lái)了高性能的32位運(yùn)算能力。其中，LM3S2000系列是針對(duì)控制器局域網(wǎng)(CAN)應(yīng)用方案而設(shè)計(jì)的一組芯片，它在Stellaris系列芯片的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了Bosch CAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)——短距離工業(yè)網(wǎng)絡(luò)里的黃金標(biāo)準(zhǔn)。
    目前，很多系統(tǒng)需要稱重?cái)?shù)據(jù)。本文介紹一種利用LM3S2965芯片設(shè)計(jì)的CAN總線節(jié)點(diǎn)的軟硬件方案，可以直接將儀表與傳感器組成的稱重系統(tǒng)接人現(xiàn)有的分布式網(wǎng)絡(luò)中。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    基于CAN總線的分布式控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖1所示。采用現(xiàn)場(chǎng)總線式集散控制系統(tǒng)(Field Distributed Control Svstem，F(xiàn)DCS)結(jié)構(gòu)，由CAN總控中心、控制節(jié)點(diǎn)以及CAN現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)組成。CAN總控中心主要完成在線系統(tǒng)監(jiān)控，多個(gè)智能節(jié)點(diǎn)各自獨(dú)立完成數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)設(shè)定、運(yùn)行顯示控制等，通過(guò)CAN現(xiàn)場(chǎng)總線，在操作站和智能節(jié)點(diǎn)之間交換各種數(shù)據(jù)和管理控制信息。圖中的任何一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)都可能是稱重系統(tǒng)，由稱重傳感器和稱重儀表組成。通過(guò)這個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)，總控中心就可以監(jiān)控、操作各個(gè)稱重單元的工作狀態(tài)。

    本文利用TI公司生產(chǎn)的LM3S2965設(shè)計(jì)了一種CAN總線系統(tǒng)智能節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)包括A／D轉(zhuǎn)換、顯示、按鍵輸入、CAN接口等多個(gè)部分，根據(jù)系統(tǒng)的要求還可以增加更多的模塊。本文僅介紹CAN接口部分，其硬件電路如圖2所示。該電路主要包括CAN總線收發(fā)器SN65HVD1050D、高速光電耦合器6N137以及與微控制器LM3S2965的接口部分。LM3S2965通過(guò)內(nèi)置CAN控制器極大地簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)和軟件編程，加速了實(shí)現(xiàn)方案的設(shè)計(jì)，且穩(wěn)定可靠性得到保證。

    為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，LM3S2965的TXO和RXO通過(guò)高速光耦6N137與CAN收發(fā)器SN65HVD1050D相連，很好地實(shí)現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。電源的完全隔離可采用小功率電源隔離模塊或帶多5 V隔離輸出的開(kāi)關(guān)電源模塊實(shí)現(xiàn)，這些部分雖然增加了節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜程度，但卻提高了節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性。6N137光耦合器的使用需要注意兩點(diǎn)：第一，6N137的第6腳輸出電路屬于集電極開(kāi)路電路，必須接一個(gè)上拉電阻；第二，6N137內(nèi)部的第2腳和第3腳之間是一個(gè)LED，必須串接一個(gè)限流電阻。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    CAN總線節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要包括3部分：CAN節(jié)點(diǎn)初始化、報(bào)文發(fā)送和報(bào)文接收。初始化程序設(shè)計(jì)對(duì)于CAN總線節(jié)點(diǎn)的正常工作相當(dāng)重要。它主要包括工作方式、時(shí)鐘輸出寄存器、接收屏蔽寄存器、接收代碼寄存器、總線定時(shí)器、輸出控制寄存器和中斷允許寄存器的設(shè)置。
    LM3S2965及其系列芯片由廠家提供了底層的API，用于訪問(wèn)Stellaris CAN模塊的函數(shù)集。這些函數(shù)用于對(duì)CAN控制器、報(bào)文對(duì)象進(jìn)行配置，對(duì)CAN中斷進(jìn)行管理，大大簡(jiǎn)化了編程的復(fù)雜性，也增強(qiáng)了軟件的移植性。
    Stellaris CAN模塊提供了CAN數(shù)據(jù)鏈接層的硬件處理。因?yàn)榭梢员慌渲贸删哂袌?bào)文過(guò)濾器并能預(yù)載報(bào)文數(shù)據(jù)，所以它能在總線上自動(dòng)發(fā)送和接收?qǐng)?bào)文，并相應(yīng)地通知應(yīng)用。它能自動(dòng)地處理CRC的產(chǎn)生和檢查、錯(cuò)誤處理以及CAN報(bào)文的重發(fā)。
    報(bào)文對(duì)象存放在CAN控制器中，并且它能提供CAN總線上的CAN模塊的主接口。這32個(gè)報(bào)文對(duì)象中的每一個(gè)都能被編程成可以處理一個(gè)獨(dú)立的報(bào)文ID，或能在同一個(gè)ID上被一起鏈接成一個(gè)幀序列。報(bào)文標(biāo)識(shí)符過(guò)濾器提供了能被編程為與任何或全部報(bào)文ID位相匹配的屏蔽和幀類型。CAN API提供了應(yīng)用所需要用來(lái)實(shí)施一個(gè)中斷驅(qū)動(dòng)CAN堆棧的全部函數(shù)?？墒褂眠@些函數(shù)控制Stellaris微控制器的任何一個(gè)可用的CAN端口，并且函數(shù)能與一個(gè)端口使用而不會(huì)與其他端口造成沖突。
    默認(rèn)時(shí)CAN模塊被禁止，因此在調(diào)用任何其他的CAN函數(shù)前，必須要先調(diào)用CANInit()函數(shù)。這樣就能在使能CAN總線上的控制器前把報(bào)文對(duì)象初始化到一個(gè)安全的狀態(tài)。同樣，在使能CAN控制器前，必須對(duì)位時(shí)序值進(jìn)行編程。在位時(shí)序值被編程為一個(gè)適當(dāng)?shù)闹禃r(shí)，應(yīng)該要調(diào)用CAN總線的CANSetBitTiming()函數(shù)。一旦調(diào)用完這兩個(gè)函數(shù)，就可使用CANEnable()將CAN控制器使能，如有需要，稍后可使用CANDisable()將其關(guān)閉。調(diào)用CANDisable()并不會(huì)重新初始化一個(gè)CAN控制器，因此可以使用它來(lái)暫時(shí)把CAN控制器從總線上移除。
    CAN控制器具有很高的可配置性并且包含32個(gè)報(bào)文對(duì)象，在某些條件下這些報(bào)文對(duì)象能被編程為自動(dòng)發(fā)送和接收CAN報(bào)文。報(bào)文對(duì)象允許應(yīng)用程序自動(dòng)執(zhí)行一些操作而無(wú)需與微控制器進(jìn)行交互。
    以下是這些操作的一些范例：
    ①立即發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀；
    ②當(dāng)在CAN總線上發(fā)現(xiàn)一個(gè)正在匹配的遠(yuǎn)程幀時(shí)，發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀；
    ③接收一個(gè)特定的數(shù)據(jù)幀；
    ④接收與某個(gè)標(biāo)識(shí)符樣式匹配的數(shù)據(jù)幀。
    為了把報(bào)文對(duì)象配置成可以執(zhí)行這些操作中的任何一個(gè)操作，應(yīng)用程序必須首先要使用CANMessageSet()來(lái)設(shè)置32個(gè)報(bào)文對(duì)象中的其中一個(gè)。這個(gè)函數(shù)能把一個(gè)報(bào)文對(duì)象配置成可以發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)。每一個(gè)報(bào)文對(duì)象可以被配置成在發(fā)送或接收CAN報(bào)文時(shí)產(chǎn)生中斷。
    當(dāng)從CAN總線接收到數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)用程序可以使用CANMessageGet()函數(shù)讀取到所接收到的報(bào)文。同樣，該函數(shù)也能讀取這樣一個(gè)報(bào)文：在改變報(bào)文對(duì)象的配置前，報(bào)文已被配置以便定位一個(gè)報(bào)文結(jié)構(gòu)。使用這個(gè)函數(shù)讀取報(bào)文對(duì)象，將會(huì)清除任何報(bào)文對(duì)象中正在掛起的中斷。
    一旦已使用CANMessageSet()來(lái)完成對(duì)一個(gè)報(bào)文對(duì)象的配置，那么此函數(shù)分配報(bào)文對(duì)象并繼續(xù)執(zhí)行其編程功能，除非通過(guò)調(diào)用ANMessage-Clear()將其釋放。在對(duì)報(bào)文對(duì)象進(jìn)行新配置前，無(wú)需請(qǐng)求應(yīng)用程序清除報(bào)文對(duì)象，因此每次調(diào)用CANMessageSet()時(shí)，它將會(huì)覆蓋任何之前被編程的配置。
    32個(gè)報(bào)文對(duì)象是相同的，優(yōu)先級(jí)除外。最小編號(hào)的報(bào)文對(duì)象具有最高的優(yōu)先級(jí)。優(yōu)先級(jí)以兩種方式影響操作：第一種，如果在同一時(shí)間準(zhǔn)備好多個(gè)操作，那么具有最高優(yōu)先級(jí)的報(bào)文對(duì)象將會(huì)首先發(fā)生；第二種，多個(gè)報(bào)文對(duì)象正在掛起中斷時(shí)，如果讀取中斷狀態(tài)，則具有最高優(yōu)先級(jí)的報(bào)文對(duì)象首先出現(xiàn)。由應(yīng)用負(fù)責(zé)把32個(gè)報(bào)文對(duì)象作為一個(gè)源來(lái)管理，并確定分配和釋放它們的最佳途徑。
    CAN控制器在下列條件下能夠產(chǎn)生中斷：
    ①當(dāng)任何一個(gè)報(bào)文對(duì)象發(fā)送一個(gè)報(bào)文時(shí)；
    ②當(dāng)任何一個(gè)報(bào)文對(duì)象接收一個(gè)報(bào)文時(shí)；
    ③滿足警告條件，如一個(gè)錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器達(dá)到了限值，或出現(xiàn)多個(gè)總線錯(cuò)誤時(shí)；
     ④滿足控制器錯(cuò)誤條件，如進(jìn)入總線關(guān)閉狀態(tài)時(shí)。
    圖3是CAN總線節(jié)點(diǎn)的軟件流程。其中的對(duì)象就是一組數(shù)據(jù)的信息，包括下面結(jié)構(gòu)體的信息：
   

    其中，ulMsglD用作11或29位標(biāo)識(shí)符的CAN報(bào)文標(biāo)識(shí)符；ulMsgIDMask為在使能標(biāo)識(shí)符過(guò)濾器時(shí)所使用的報(bào)文標(biāo)識(shí)符屏蔽；ulFlags保存多個(gè)狀態(tài)標(biāo)志和tCANObjFlags所指定的設(shè)置；ulMsgLen是報(bào)文對(duì)象中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)；pucMsgData是指向報(bào)文對(duì)象的數(shù)據(jù)的指針。
    此結(jié)構(gòu)是對(duì)與CAN控制器中一個(gè)CAN報(bào)文對(duì)象相關(guān)的項(xiàng)目進(jìn)行的壓縮?？梢灾苯訉⑦@個(gè)對(duì)象的信息填充，即進(jìn)行對(duì)象的賦值工作。下面的代碼是程序中CAN接口部分的初始化部分：
    
    
    上面的這些函數(shù)都已經(jīng)通過(guò)提供的API函數(shù)完成工作，CANConfigureNetwork函數(shù)要自己編寫(xiě)，代碼如下：

     這里僅僅是對(duì)前文介紹的對(duì)象進(jìn)行賦值，是將系統(tǒng)中真正用到的對(duì)象配置成我們需要的對(duì)象(包括是發(fā)送還是接收)。此處鑒于篇幅只給出了兩個(gè)對(duì)象，一個(gè)用于發(fā)送數(shù)據(jù)，一個(gè)用于接收數(shù)據(jù)。上面的函數(shù)設(shè)置好后就可以通過(guò)CAN中斷控制器來(lái)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。上述程序代碼在Keil C3．78版本上調(diào)試編譯通過(guò)，并且已經(jīng)成功用于產(chǎn)品中。

結(jié)語(yǔ)
    本文介紹的CAN總線接口節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)非常方便，硬件電路簡(jiǎn)單，軟件設(shè)計(jì)模塊化，可以應(yīng)用此方案設(shè)計(jì)實(shí)用的系統(tǒng)。本文的接口就是稱重儀表的一部分，可以直接將儀表與傳感器組成的稱重系統(tǒng)接入現(xiàn)有的分布式網(wǎng)絡(luò)中。