基于AVR處理器的CAN總線設(shè)計(jì)方案

1 前 言

現(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)前工業(yè)總線領(lǐng)域中最活躍的一個(gè)領(lǐng)域， CAN 總線是工業(yè)數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域重要的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。CAN 是Contro ller Area N etw ork的縮寫， 是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。在當(dāng)今的汽車產(chǎn)業(yè)中， 出于對(duì)安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求， 各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開發(fā)出來。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對(duì)可靠性的要求不盡相同， 由多條總線構(gòu)成的情況很多， 線束的數(shù)量也隨之增加。為減少線束的數(shù)量、通過多個(gè)LAN進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速通信， 1986年德國(guó)電氣商博世公司開發(fā)出面向汽車的CAN 通信協(xié)議。而今CAN 在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。CAN 的初衷是為了解決汽車?yán)锒喾N復(fù)雜數(shù)據(jù)的通信， 后來證實(shí)在很多工業(yè)領(lǐng)域也能應(yīng)用自如。

2 CAN 總線特性及當(dāng)今狀況

CAN 總線與其他通訊網(wǎng)絡(luò)的不同之處在于: 報(bào)文傳送中不包括目標(biāo)地址， 以全網(wǎng)廣播為基礎(chǔ)， 各接收站根據(jù)報(bào)文中反映數(shù)據(jù)性質(zhì)的標(biāo)識(shí)符過濾報(bào)文;強(qiáng)化了對(duì)數(shù)據(jù)安全性的關(guān)注， 滿足控制系統(tǒng)較高的數(shù)據(jù)需求。它具有如下顯著特征: 極高的總線利用率、低成本、高速的數(shù)據(jù)傳輸速率、遠(yuǎn)距離傳輸、可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制、可根據(jù)報(bào)文的ID決定接收或屏蔽該報(bào)文， 節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)退出總線的功能等等。

CAN 總線所需完善的通信協(xié)議可由CAN 控制器芯片和接口芯片實(shí)現(xiàn)， 大大降低了系統(tǒng)的開發(fā)難度、組成成本、縮短了開發(fā)周期， 其高性能高可靠性以及靈活的設(shè)計(jì)受到人們的重視， 應(yīng)用也越來越廣泛。目前比較流行的控制器芯片是飛利浦公司的SJA1000和收發(fā)器芯片TJA1050。

由于近幾年來CAN 總線技術(shù)逐步在我國(guó)推廣開來， CAN 總線技術(shù)的獨(dú)特特點(diǎn) 傳輸數(shù)據(jù)的可靠性和實(shí)時(shí)性， 已獲得國(guó)際自動(dòng)化控制領(lǐng)域的認(rèn)可，其應(yīng)用前景十分光明。國(guó)內(nèi)推動(dòng)CAN 總線技術(shù)進(jìn)步的應(yīng)用事例不斷擴(kuò)展， 積極促進(jìn)了我國(guó)自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步。由于CAN 總線本身的特點(diǎn)， 其應(yīng)用范圍己經(jīng)擴(kuò)展到過程工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療機(jī)械、家用電器及傳感器等領(lǐng)域， 而在電梯控制系統(tǒng)中， 主板需要接收不同樓層呼梯、轎廂里呼梯、調(diào)整電梯運(yùn)行參數(shù)等多路信號(hào)， 因此CAN 總線的優(yōu)勢(shì)明顯。如圖1所示。

圖1 CAN總線應(yīng)用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 集成CAN 控制器的ARM 微處理器

CAN 總線基于一組嚴(yán)格的協(xié)議， 一般來說在主CPU 外接一個(gè)專用CAN 控制器以實(shí)現(xiàn)。由于近年來微處理器的迅速發(fā)展， 出現(xiàn)了很多功能強(qiáng)大的集成CAN 控制器的CPU， 使得在CAN 總線應(yīng)用上又簡(jiǎn)便了一些。而在價(jià)格上， 集成CAN 總線的微處理器和一般處理器加上專用CAN 控制器芯片的價(jià)格相當(dāng)， 所以， 集成CAN 總線的微處理器必然成為今后CAN 總線應(yīng)用的趨勢(shì)。NXP 公司生產(chǎn)的ARM結(jié)構(gòu)LPC2294就是其中一款流行的帶CAN 總線控制器的CPU。它是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的32位ARM7TDM I- S CPU 的微控制器， 并帶有256k字節(jié)嵌入的高速Flash 存儲(chǔ)器。極低的功耗、多個(gè)32位定時(shí)器、8路10位ADC、4路CAN以及多達(dá)9個(gè)外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制， 因此，LPC2294也可作為電梯控制系統(tǒng)的主控制器。

4 集成CAN 控制器的高端8位AVR

上文提到， 電梯控制系統(tǒng)需要處理多路信息， 而且它們可能是具有不同傳輸速率的， 因此需要使用不同通道的CAN 總線控制器。對(duì)于控制系統(tǒng)， 必須具有可操作性， 考慮到要減輕主CPU 的負(fù)擔(dān)， 因此，設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的操作系統(tǒng)對(duì)主系統(tǒng)進(jìn)行操作， 而數(shù)據(jù)的交換方式就是采用CAN 總線傳輸， 此文中稱這個(gè)操作系統(tǒng)為副系統(tǒng)。副系統(tǒng)相對(duì)比較簡(jiǎn)單， 其功能主要包括: ! 和主板進(jìn)行信息交換; ? 具有按鍵供輸入; # 具有顯示信息的顯示器。針對(duì)功能的需要和程序的體積， 選用了ATMEL公司近年力推的8位AVR控制器at90can128。

a t90can128是一種基于AVR 增強(qiáng)型R ISC結(jié)構(gòu)的低功耗CMOS 8位單片機(jī)。通過執(zhí)行一個(gè)單時(shí)鐘周期的高效指令， AT90CAN128每MH z能達(dá)1M IPS，這就可讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將功率損耗與處理速度優(yōu)化。AVR內(nèi)核具有豐富的指令集并帶有32個(gè)通用目的工作寄存器。32 個(gè)寄存器全都直接連到運(yùn)算邏輯單元( ALU ) ， 允許兩個(gè)獨(dú)立的寄存器在一個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行單個(gè)指令的方式訪問。其結(jié)果就是， 采用這種結(jié)構(gòu)的速度比常規(guī)的R ISC單片機(jī)快10倍的同時(shí)代碼效率更高。它除了擁有一般AVR 處理器的AD 模塊， SPI模塊外， 還集成CAN 控制器， 為搭建基于CAN 通信的系統(tǒng)提供了便利?？刂平Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 at90can128的CAN控制結(jié)構(gòu)。

對(duì)于復(fù)雜的CAN 通信協(xié)議， 在此不詳述， 以下就at90can128的CAN控制器使用作介紹。

a t90can128的CAN 控制器提供了所有有利于消息管理的硬件， 對(duì)于每個(gè)要發(fā)送或接收的信息都是通過一個(gè)叫做消息對(duì)象( message ob ject) 的東西來封裝起來的。在對(duì)模塊初始化的時(shí)候， 程序會(huì)指定哪些消息要發(fā)送， 哪些消息要接收， 只有那些約定好標(biāo)識(shí)符的消息才能被正確無誤地交換。另外， 對(duì)于接收到的遠(yuǎn)程幀， 控制器會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的自動(dòng)回復(fù)。

所以在這種方式下， 相對(duì)于最原始的CAN 控制方式， CPU 的負(fù)擔(dān)大大減小了。用戶可以根據(jù)自身要求， 通過對(duì)相關(guān)寄存器進(jìn)行配置達(dá)到自己的要求。

而在發(fā)送消息之前， 必須初始化幾個(gè)字段:

其中IDT 是標(biāo)識(shí)符字段， IDE 是標(biāo)識(shí)符擴(kuò)展使能選擇， RTRTAG是遠(yuǎn)程傳輸請(qǐng)求， DLC 是數(shù)據(jù)長(zhǎng)度代碼， RBnTAG 是保留字段( n = 0， 1) ， MSG 是指向相應(yīng)MOB的CAN 數(shù)據(jù)。當(dāng)MOB 的發(fā)送指令執(zhí)行后， MOB 就會(huì)準(zhǔn)備發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)或者是一個(gè)遠(yuǎn)程幀。接著， CAN 通道就會(huì)掃描各個(gè)MOB， 尋找到優(yōu)先級(jí)最高的MOB， 將其發(fā)送出去。當(dāng)傳送成功后，MOB 狀態(tài)寄存器CANSTMOB 中的TXOK 位就會(huì)置位。而最重要的是， 對(duì)于每一次新的數(shù)據(jù)傳輸都必須重新對(duì)相關(guān)寄存器初始化， 否則無法正常工作。

接收消息之前所要做的初始化步驟基本相同，只是多了IDMSK 和IDEMSK 標(biāo)識(shí)符掩碼的設(shè)置。

以下就給出基于AVR at90can128CAN 總線接口初始化以及發(fā)送、接收功能模塊的關(guān)鍵代碼及注解(見圖3)。

圖3 電梯系統(tǒng)主板與調(diào)試器之間的CAN通信。

CAN 初始化:

CANGCON | = 0X01;

for( i= 0; i< 15; i+ + )

{

CANPAGE = i< < 4; / /將15個(gè)MOB 都初始化一次

CANCDMOB = 0;

CANSTMOB= 0;

CAN IDT1= 0;

CAN IDT2= 0;

……

for( j= 0; j< 8; j+ + )

CANMSG= 0;

CANBT1= 0X1E; / /設(shè)置CAN 傳輸波特率, 16分頻

CANBT2= 0X40;

CANBT3= 0X49;

CANPAGE = ( 0< < 4) ; / /選擇MOB0作為接收MOB, 并設(shè)定標(biāo)識(shí)碼

CAN IDT1= 0X00;

CAN IDM1= 0X00;

……

CANPAGE = ( 1< < 4); / /選擇MOB1作為發(fā)送MOB, 并設(shè)定標(biāo)識(shí)碼

CAN IDT1= 0X00;

……

}

發(fā)送模塊代碼:

CANPAGE = ( 1< < 4); / /選定MOB1

If( ( CANGSTA& 0X10) = = 0) / /查詢CAN 狀態(tài)寄存器的TXBSY 位, 為0, 則可以發(fā)送

for( i= 0; i< 8; i+ + )

{

CANMSG= my _dada[ i] ; / /將要發(fā)送的數(shù)據(jù)裝入數(shù)據(jù)寄存器中, 共8 by te

CANCDMOB | = 0X48; / /發(fā)送

}

接收模塊代碼是類似的， 設(shè)計(jì)思路都是在判斷發(fā)送允許標(biāo)志之后， 如果允許， 就將數(shù)據(jù)裝入到指定的MOB中， 而每個(gè)MOB 一個(gè)發(fā)送周期一共可以發(fā)送8byte的數(shù)據(jù)。而CAN 總線的另一端是NXP公司LPC2294的CAN總線外圍， 其結(jié)構(gòu)和原理都差不多， 當(dāng)然， 在寄存器設(shè)置中會(huì)有一點(diǎn)差別， 但只要兩個(gè)CPU 約定好數(shù)據(jù)幀的標(biāo)識(shí)符編號(hào)是什么， 傳輸速率相同， 就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換了。由于篇幅有限，LPC2294的CAN接口設(shè)置在此就不作介紹了。

最后給出了CAN 總線應(yīng)用CPU 外部的硬件原理參考圖， 如圖4所示。

5 CAN 總線收發(fā)器TJA1050硬件連接圖

圖中CAN 收發(fā)器為NXP公司的TJA1050， TXD和RXD分別連接到CPU 的CAN接口， CANL和CANH 則為與另一個(gè)CPU 連接的總線， CANL 和CANH 之間電阻值約為120歐姆， 開關(guān)S可以作為CAN 總線的硬件啟用開關(guān)。另外， 如果在抗干擾要求高的場(chǎng)合， 可以對(duì)TXD 和RXD使用光電隔離。

圖4 CPU 外圍收發(fā)器的硬件原理圖。

6 結(jié)束語

基于at90can128的CAN 總線模塊設(shè)計(jì)的電梯系統(tǒng)調(diào)試器， 經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的檢驗(yàn)， 使用良好， 通信正常無誤。在眾多的現(xiàn)場(chǎng)總線當(dāng)中， CAN 總線憑借其優(yōu)秀的特性已經(jīng)為越來越多的工程人員認(rèn)同和偏愛， 而隨著越來越多的高端CPU 對(duì)CAN 控制器的集成和綜合成本的下降， CAN 總線的使用必定會(huì)越來越普遍， 其中集成CAN 控制器的8位AVR 也會(huì)受到越來越多人的青睞。