嵌入式系統(tǒng)的CAN總線設(shè)計(jì)

1 CAN總線概述
    CAN(Controller Area Network)總線即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，是現(xiàn)場(chǎng)總線之一，由德國Bosch公司為汽車的監(jiān)測(cè)、控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的總線式串行通訊網(wǎng)絡(luò)，適合于工業(yè)過程控制設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備之間的互聯(lián)。是一種多主方式的串行通訊總線，基本設(shè)計(jì)規(guī)范要求有高的位速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測(cè)出產(chǎn)生的任何錯(cuò)誤。主要應(yīng)用于汽車電控制系統(tǒng)、電梯控制系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、紡織機(jī)械、船舶運(yùn)輸?shù)确矫?。CAN具有下下列主要特性：①低成本；②遠(yuǎn)距離傳輸(長達(dá)lOKm)；③高速的數(shù)據(jù)傳輸速率(高達(dá)1Mbit／s)；④可根據(jù)報(bào)文的ID決定接收或屏蔽該報(bào)文；⑤可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制；⑥發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動(dòng)重發(fā)；⑦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。

2 嵌入式系統(tǒng)的CAN接口電路
    基于ARM7架構(gòu)嵌入式系統(tǒng)的CAN接口硬件模塊包括Samsung公司的嵌入式微處理器S3C44BOX和Philips公司的CAN控制器芯片SJAl000和CAN總線收發(fā)器PCA82C250。
2．1 Samsung S3C44BOX的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
    8KB Cache、 Samsung S3C44BOX微處理器是三星公司專為手持設(shè)備和一般應(yīng)用提供的高性價(jià)比和高性能的微控制器解決方案，它使用ARM7TDMI CPU核，工作在66MHZ。為了降低系統(tǒng)總成本和減少外圍器件，這款芯片中還集成了下列部件：外部存儲(chǔ)器控制器、LCD控制器、4個(gè)DMA通道、2通道異步UART單元、1個(gè)同步串行口(SIO)、1個(gè)多主12C總線控制器、1個(gè)I Is總線控制器，5通道PWM定時(shí)器及一個(gè)內(nèi)部定時(shí)器、71個(gè)通用I／O口、8個(gè)外部中斷源、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、8通道10位ADC等。
2．2 CAN總線控制器
    CAN總線控制器選用Philips公司的SJAl000。 SJAl000是一款獨(dú)立的控制器，用于汽車和一般工業(yè)環(huán)境中的控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)。它是PHILIPS半導(dǎo)體PCA82C200 CAN控制器(BasicCAN)的替代產(chǎn)品。而且，它增加了一種新的工作模式(PeliCAN)，這種模式支持具有很多新特性的CAN2．0B協(xié)議。SJA1000是新一代CAN控制器，有如下特點(diǎn)：①和PCA82C200獨(dú)立CAN控制器引腳兼容及電氣兼容；②SJA1000有兩種工作模式：基本CAN模式(BASIC CAN)和增強(qiáng)CAN模式(PELI CAN)，支持CAN2.0A／B協(xié)議；③同時(shí)支持11位和29位ID，位速率可達(dá)1M，具有總線仲裁功能；④擴(kuò)展的接收緩沖器(64字節(jié)、先進(jìn)先出FIFO)，增強(qiáng)的環(huán)境溫度范圍(-40-+125℃)；⑤檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力加強(qiáng)；⑥支持帶電插拔。
    SJA1000方框圖如圖1所示。其中接口管理邏輯IML負(fù)責(zé)連接外部主控制器，該控制器可以是微型控制器或其它任何控制器。接口管理邏輯IML接收來自微控制器的命令，分配控制信息緩存器發(fā)送緩存器TBF、接收緩存器RBF0和RBF1，并為微控制器提供中斷和狀態(tài)信息。發(fā)送緩存器TBF由10個(gè)字節(jié)存貯單元組成，存貯由微控制器寫，將被發(fā)送至CAN總線網(wǎng)絡(luò)的報(bào)文。接收緩存器0和1(RBF0、RBF1)均由10個(gè)字節(jié)組成，交替存貯從總線接收的報(bào)文，當(dāng)一個(gè)緩存器分配給CPU，位流處理器可以對(duì)另一個(gè)進(jìn)行寫操作。位流處理器是一個(gè)控制發(fā)送緩存器和接收緩存器(并行數(shù)據(jù))與CAN總線(串行數(shù)據(jù))之間數(shù)據(jù)流的序列發(fā)生器。位定時(shí)邏輯將SJA1000同步于CAN總線上的位流。驗(yàn)收濾波器支持11位和29位標(biāo)識(shí)符的濾波，所有收到的報(bào)文由驗(yàn)收濾波器驗(yàn)收并存儲(chǔ)在接收FIFO。錯(cuò)誤管理邏輯按照CAN協(xié)議完成錯(cuò)誤界定。
2．3 CAN總線收發(fā)器
    CAN總線收發(fā)器選用Philips公司PCA82C250產(chǎn)品。CAN總線收發(fā)器是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，該器件對(duì)總線提供差動(dòng)發(fā)送能力并對(duì)CAN控制器提供差動(dòng)接收能力，有很強(qiáng)的抗電磁干擾(EMI)的能力，至少可掛110個(gè)節(jié)點(diǎn)。

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2．4 嵌入式系統(tǒng)的CAN接口電路
    圖2是嵌入式微處理器S3C44BOX的CAN接口電路圖。如圖所示，ARM和SJA1000以總線方式連接，由于ARM信號(hào)為3.3伏，而CAN總線控制器電平為5伏，所以所有信號(hào)之間均需要電平轉(zhuǎn)換，本例中使用了QS34X245作為電平轉(zhuǎn)換芯片。QS34X245為80引腳的雙例直插芯片，它既有電平轉(zhuǎn)換功能(5V變到3.3V)，又是一個(gè)總線開關(guān)和隔離器件。QS34X245內(nèi)提供一組32位高速CMOS兼容的總線開關(guān)，當(dāng)輸出使能端OEn(n為1～4)為低電平時(shí)，開關(guān)通，連能總線A和總線B；當(dāng)輸出使能端OEn為高電平時(shí)，則開關(guān)斷開，總線A和總線B隔離。OE1控制總線A和總線B的低8位(即A7～A0和B7～B0)，OE2控制A15～A8和B15～B8，OE3控制A23～A16和B23～B16，OE4控制A31～A24和B31～B24。由于ARM總線非復(fù)用，而SJA1000總線復(fù)用，所以必須通過邏輯產(chǎn)生地址鎖存信號(hào)ALE，在本例中該信號(hào)由芯片GAL22V10產(chǎn)生。SJA1000的片選、讀寫信號(hào)均采用ARM總線信號(hào)，ALE信號(hào)由讀寫信號(hào)和地址信號(hào)通過GAL產(chǎn)生。在寫SJA1000寄存器時(shí)，首先往總線的一個(gè)地址寫數(shù)據(jù)，作為地址，讀寫信號(hào)無效，ALE變化產(chǎn)生鎖存信號(hào)；然后寫另外一個(gè)地址，讀寫信號(hào)有效，作為數(shù)據(jù)。上述邏輯完全通過GAL產(chǎn)生。此外，CAN總線需要在兩線問加一個(gè)120歐電阻。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)
    CAN控制器對(duì)于主控制器(CPU)來講是一個(gè)存儲(chǔ)器映象的I／O設(shè)備，SJA1000的功能配置和行為由主控制器的程序執(zhí)行，主控制器和SJA1000之間的數(shù)據(jù)交換經(jīng)過一組寄存器(控制段)和一個(gè)RAM(報(bào)文緩存器)完成。RAM部分的寄存器和地址窗口組成了發(fā)送緩存器和接收緩存器，其中控制段由CPU在初始化時(shí)設(shè)置，需要發(fā)送的數(shù)據(jù)由CPU填入發(fā)送緩存器中。接收緩存器有兩個(gè)，對(duì)于CPU而言兩者地址是相同的，當(dāng)CPU讀取一個(gè)緩存器時(shí)，另一個(gè)可同時(shí)在接收數(shù)據(jù)，兩者替工作。SJA1000初始化程序圖3所示。

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    SJA1000控制段寄存器包括控制寄存器CR、命令寄存器CMR、狀態(tài)寄存器SR、中斷寄存器IR、接收代碼寄存器ACR、接收屏蔽寄存器AMR、總線定時(shí)寄存器BTR0及BTRl、輸出控制寄存器OCR、測(cè)試寄存器TR。控制寄存器用來控制中斷、復(fù)位和同步方式。命令寄存器用來控制發(fā)送、終止發(fā)送、緩沖區(qū)釋放、清除過載狀態(tài)、睡眠、喚醒和接收方式。狀態(tài)寄存器用于指示CAN控制器的當(dāng)前工作狀態(tài)，包括接收緩沖區(qū)狀態(tài)、數(shù)據(jù)是否超載、發(fā)送緩沖區(qū)狀態(tài)、發(fā)送是否結(jié)束、接收是否正在進(jìn)行、發(fā)送是否正在進(jìn)行、錯(cuò)誤狀態(tài)和總線是否關(guān)閉。中斷寄存器用來指示各中斷源狀態(tài)，包括接收中斷、發(fā)送中斷、出錯(cuò)中斷、超載中斷和喚醒中斷。接收代碼寄存器存放用于接收幀識(shí)別的代碼。接收屏蔽寄存器說明對(duì)應(yīng)于接收代碼的哪些位參與接收幀識(shí)別。總線定時(shí)寄存器用來設(shè)定總線通信速率。輸出控制寄存器用來控制輸出驅(qū)動(dòng)器的輸出方式。測(cè)試寄存器僅用于芯片內(nèi)部測(cè)試。
    控制CAN總線時(shí)首先初始化各寄存器，以設(shè)定通信參數(shù)(如：模式、位速率、驗(yàn)收碼、屏蔽碼、字段長、總線定時(shí)、輸出模式等)，BASIC CAN方式控制段共10個(gè)字節(jié)。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)首先置位命令寄存器，然后將被發(fā)送的報(bào)文寫入發(fā)送緩沖區(qū)，最后置位請(qǐng)求發(fā)送，由SJAl000完成發(fā)送。接收通過查詢狀態(tài)寄存器，讀取接收緩沖區(qū)獲得信息，然后釋放接收緩沖器。