《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于CAN總線的單片機與數(shù)字信號處理器通信系統(tǒng)設(shè)計
摘要: 雙CPU系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信可采用雙口RAM、串行通信等方式,但這兩種方式存在只能實現(xiàn)點對點通信,通信速度慢,可靠性差等缺點,不利于系統(tǒng)擴展。因而研究通信速度快,可靠性高,實時性強的CAN總線通信系統(tǒng)具有重要意義。
關(guān)鍵詞: CAN總線 SJA1000 TMS320LF2407 PCA82C250
Abstract:
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  0 引 言

  眾所周知,雖然目前8位單片機正逐漸被速度高,性能強的16位或32位微處理器所取代,但8位單片機仍以其低廉的價格、豐富的外圍芯片以及眾多的多功能產(chǎn)品而在低端應(yīng)用市場占據(jù)主流地位。數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor,DSP)作為一種具有高速數(shù)字信號處理能力的新型單片機,在通信、自動控制、航天航空、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。在比較復(fù)雜的測控系統(tǒng)中,如微機電動機保護裝置,要求在毫秒級的短時間內(nèi)對電動機實現(xiàn)實時保護和測量,所以對裝置硬件系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)處理能力要求較高,而傳統(tǒng)的基于單 CPU微處理器的方案己經(jīng)難以勝任。因此,這里采用數(shù)字信號處理器與單片機構(gòu)成的雙CPU結(jié)構(gòu)。由數(shù)字信號處理器完成多通道A/D轉(zhuǎn)換、各種判據(jù)算法的運算等功能,而單片機作為整個裝置的控制單元,主要負(fù)責(zé)實時時鐘控制、參數(shù)管理、人機接口及串并行通信接口的控制等。這種雙CPU結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮數(shù)字信號處理器與單片機各自的功能特點。其中,雙CPU系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信可采用雙口RAM、串行通信等方式,但這兩種方式存在只能實現(xiàn)點對點通信,通信速度慢,可靠性差等缺點,不利于系統(tǒng)擴展。因而研究通信速度快,可靠性高,實時性強的CAN總線通信系統(tǒng)具有重要意義。

  1 CAN總線介紹

  控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network,CAN)是一種串行多主站控制器局域網(wǎng)總線。它具有很高的網(wǎng)絡(luò)安全性、通信可靠性和實時性,而且簡單實用,網(wǎng)絡(luò)成本低,特別適用于環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業(yè)環(huán)境。CAN總線可有效支持分布式控制或?qū)崟r控制。該總線的通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖。其主要特點如下:

  (1)CAN總線為多主站總線,各節(jié)點可在任意時刻向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點發(fā)送信息,且不分主從;

  (2)CAN總線采用獨特的非破壞性總線仲裁技術(shù),高優(yōu)先級節(jié)點優(yōu)先傳送數(shù)據(jù),故實時性好;

  (3)CAN總線具有點對點、一點對多點及全局廣播傳送數(shù)據(jù)的功能;

  (4)CAN總線采用短幀結(jié)構(gòu),每幀有效字節(jié)數(shù)最多為8個,數(shù)據(jù)傳輸時間短,并有CRC及其他校驗措施,數(shù)據(jù)出錯率極低;

  (5)CAN總線上某一節(jié)點出現(xiàn)嚴(yán)重錯誤時,可自動脫離總線,而總線上的其他操作不受影響;

  (6)CAN總線系統(tǒng)擴充時,可直接將新節(jié)點掛在總線上,因而走線少,系統(tǒng)擴充容易,改型靈活;

  (7)CAN總線的最大傳輸速率可達1 Mb/s,直接通信距離最遠(yuǎn)可達10 km(速率在5 Kb/s以下);

  (8)CAN總線上的節(jié)點數(shù)取決于總線驅(qū)動電路,在標(biāo)準(zhǔn)幀(11位報文標(biāo)識符)時,可達到110個,而在擴展幀(29位報文標(biāo)識符)時,個數(shù)不受限。

  2 單片機與數(shù)字信號處理器CAN通信系統(tǒng)接口電路設(shè)計

  單片機與數(shù)字信號處理器種類較多,在研究其通信系統(tǒng)時,以廣泛使用的MCS-51單片機以及適于運動控制的美國德州儀器(TI)公司TMS320LF2407為例進行研究。

  2.1 單片機通信系統(tǒng)接口電路設(shè)計

  MCS-51單片機組成CAN通信系統(tǒng)需要擴展CAN控制器,本系統(tǒng)采用的CAN控制器是SJA1000。SJA1000是PHILIPS公司生產(chǎn)的既支持CAN 2.0B,又支持CAN 2.0A的CAN控制器。與SJA1000配套使用的CAN總線驅(qū)動器是PCA82C250,它是PHILIPS推出的CAN控制器和物理總線接口芯片,可提供對總線的差分發(fā)送和接收。CAN模塊總線控制器、總線驅(qū)動器連接基本方法如圖1所示。為增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力,SJA1000通過高速光耦6N137后與PCA82C250相連,這樣就能很好地實現(xiàn)本系統(tǒng)與CAN總線的電氣隔離。電源的隔離采用小功率電源隔離模塊。這些部分雖然增加了接口電路的復(fù)雜性,但是卻提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

CAN模塊總線控制器

  TMS320LF2407內(nèi)部集成一個完全的CAN控制器,但CAN控制器必須通過CAN驅(qū)動芯片才能與其他CAN控制器進行通信,這里采用 PCA82C250。因為TMS320LF2407用3.3 V供電,而PCA82C250用5 V供電。TMS320LF2407通過高速光耦6N137后與82C250相連,不僅增強了CAN總線節(jié)點的抗干擾能力,而且實現(xiàn)了電平轉(zhuǎn)換。

TMS320LF2407 CAN通信系統(tǒng)硬件電路設(shè)計圖

  3 數(shù)字信號處理器與單片機通信系統(tǒng)軟件設(shè)計

  數(shù)字信號處理器與單片機組成的CAN總線通信系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信時,應(yīng)約定通信協(xié)議,如幀格式、波特率、標(biāo)識符等。各節(jié)點軟件設(shè)計均包括數(shù)據(jù)發(fā)送和接收子程序以及CAN總線控制器初始化子程序。這里著重研究CAN總線控制器的初始化。

  3.1 單片機通信系統(tǒng)軟件設(shè)計

  單片機CAN通信系統(tǒng)軟件設(shè)計主要是指SJA1000總線控制器的初始化程序設(shè)計。

  CAN總線控制器初始化程序主要是通過對SJA1000寄存器寫入相應(yīng)的控制字,從而確定SJA1000的工作方式。SJA1000需要初始化的寄存器有:模式寄存器MODE、時鐘分頻寄存器CDR、接收代碼寄存器ACR、接收屏蔽寄存器AMR、中斷使能寄存器IER、總線定時寄存器BTR、輸出控制寄存器OCR等。其中,總線定時寄存器BTR的值決定CAN通信波特率,而波特率正確與否,是數(shù)字信號處理器與單片機實現(xiàn)CAN通信的關(guān)鍵。因為這些寄存器僅能在SJA1000復(fù)位期間進行寫訪問,因此在對這些寄存器初始化之前,必須確保系統(tǒng)進入復(fù)位狀態(tài),在初始化后,須清除復(fù)位請求位,使SJA1000返回正常運行狀態(tài),其初始化子程序如下:

 

程序

程序

  3.2 數(shù)字信號處理器通信系統(tǒng)軟件設(shè)計

  在使用數(shù)字信號處理器CAN控制器前必須對它的一些內(nèi)部寄存器進行設(shè)置,如對位定時器的設(shè)置及對郵箱進行初始化。位定時器主要由CANBCR1和CANBCR2兩個寄存器組成,配置對位定時器也就是設(shè)置這兩個寄存器,其值決定了CcAN控制器的通信波特率、同步跳轉(zhuǎn)寬度、采樣次數(shù)和重同步方式等。對郵箱初始化主要是對郵箱進行配置,設(shè)置郵箱的標(biāo)識符以及接收濾波器的設(shè)置等。 CAN控制器初始化子程序如下:

程序

程序

  4 結(jié) 語

  單片機與數(shù)字信號處理器CAN總線通信系統(tǒng)實驗過程中,發(fā)送端采用查詢方式,接收端采用中斷方式,利用鍵盤改變發(fā)送數(shù)據(jù),接收端利用液晶顯示器實時顯示接收數(shù)據(jù)。反復(fù)試驗表明,該系統(tǒng)工作穩(wěn)定性較高;該系統(tǒng)硬件電路或軟件程序稍加改動可用于單片機與數(shù)字信號處理器或數(shù)字信號處理器與數(shù)字信號處理器等雙 CPU或多CPU測控系統(tǒng)中,且應(yīng)用前景廣闊。

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