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STC15F2K60S2單片機與CAN總線接口的實現(xiàn)
2014年微型機與應用第17期
胡家華1,付文廣1,郜事成1,李文靜1,曹永根1,周前1,朱清發(fā)2 呂永春2
1.哈爾濱理工大,黑龍江 哈爾濱 150080 2.黑龍江電器集團有限公司,黑龍江 哈爾濱 150080
摘要: 分析了CAN總線通信的性能和技術特點,介紹了CAN總線結構的模式及應用趨勢。針對采用單片機實現(xiàn)與CAN總線接口的問題,詳細探討了用STC15F2K60S2單片機結合總線控制器SIA1000和總線收發(fā)器PCA82C250芯片構成CAN總線接口電路的實現(xiàn),并介紹了接口驅動軟件的編制流程。
Abstract:
Key words :

  摘 要: 分析了CAN總線通信的性能和技術特點,介紹了CAN總線結構的模式及應用趨勢。針對采用單片機實現(xiàn)與CAN總線接口的問題,詳細探討了用STC15F2K60S2單片機結合總線控制器SIA1000和總線收發(fā)器PCA82C250芯片構成CAN總線接口電路的實現(xiàn),并介紹了接口驅動軟件的編制流程。

  關鍵詞: CAN總線; 控制器;收發(fā)器;單片機; 通信; 接口;

  控制器局域網(wǎng)絡CAN(Controller Area Network)是由研發(fā)和生產汽車電子產品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)的,并最終成為國際標準(ISO11898),是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。在北美和西歐,CAN總線協(xié)議已經成為汽車計算機控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標準總線,并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機械車輛設計的J1939協(xié)議。近年來,由于該總線所具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到重視,被廣泛應用于汽車計算機控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業(yè)環(huán)境。

1 CAN總線通訊原理

  CAN總線目前采用2.0規(guī)范。CAN 2.0規(guī)范分為CAN 2.0A與CAN 2.0B。CAN 2.0A 支持標準的11 位標識符,CAN 2.0B同時支持標準的11位標識符和擴展的29位標識符。

  CAN總線的物理層包括物理層信號(PLS)、媒體訪問單元(PMA)和介質相關接口(MDI)3部分,主要完成電氣連接、驅動器/接收節(jié)點特性、位定時、同步、位編碼/解碼的描述。

  在國際標準ISO11898中,對基于雙絞線的CAN系統(tǒng)建議了電氣連接。為了抑制信號在端點的反射,CAN總線要求在兩個端點上安裝兩個120 Ω的終端電阻。CAN總線的驅動可采用單線上拉、單線下拉和雙線驅動,如果所有節(jié)點的晶體管均處于關斷狀態(tài),則CAN總線上呈現(xiàn)隱性狀態(tài),如果CAN總線上至少有一個節(jié)點發(fā)送端的那對晶體管導通,產生的電流流過終端電阻,在CAN_H和CAN_L兩條線之間產生差分電壓,總線上就呈現(xiàn)出顯性狀態(tài)。CAN總線上的信號接收采用差分比較器,讀取差分電壓值。

  理想發(fā)送節(jié)點在沒有重同步的情況下每秒發(fā)送的位數(shù)量定義為標稱位速率(Nominal Bit Rate)。標稱位時間(Nominal Bit Time)定義為標稱位速率的倒數(shù),即標稱位時間 = 1/標稱位速率。位時間指的是CAN總線通信時1 bit數(shù)據(jù)持續(xù)的時間,CAN總線工作時標稱位速率是不變的,那么標稱位時間也保持不變,即要求每個位在總線上的時間要保持一致。CAN總線的標稱位時間可劃分為4個同步段(SYNC_SEG)、傳播段(PROP_SEG)、相位緩沖段1(PSEG1)和相位緩沖段2 (PSEG2)不重疊的時間段。

  CAN總線標稱位時間中各個時間段都可以根據(jù)具體網(wǎng)絡情況而重新設置,均由CAN控制器的可編程位定時參數(shù)來實現(xiàn)。位時間內時間段的設定能實現(xiàn)CAN總線節(jié)點同步、網(wǎng)絡發(fā)送延遲補償和采樣點定位等功能。

  CAN總線的同步使CAN總線系統(tǒng)的收發(fā)兩端在時間上保持步調一致。從位定時的同步方式考慮,CAN總線實質上屬于異步通信協(xié)議,每傳輸一幀,以幀起始位開始,而以幀結束及隨后的間歇場結束。這就要求收/發(fā)雙方從幀起始位開始必須保持幀內報文代碼中的每一位嚴格的同步。CAN 總線的位同步只有在節(jié)點檢測到“隱性位”到“顯性位”的跳變時才會產生,當跳變沿不位于位周期的同步段之內時將會產生相位誤差。該相位誤差就是跳變沿與同步段結束位置之間的距離。相位誤差源于節(jié)點的振蕩器漂移、網(wǎng)絡節(jié)點之間的傳播延遲以及噪聲干擾等。CAN 協(xié)議規(guī)定了硬同步和重同步兩種類型的同步。

  硬同步只在總線空閑時通過一個從“隱性位”到“顯性位”的跳變(幀起始)來完成,此時不管有沒有相位誤差,所有節(jié)點的位時間重新開始。強迫引起硬同步的跳變沿位于重新開始的位時間的同步段(SYNC_SEG)之內。

  重同步在報文的隨后位中,每當有從“隱性位”到“顯性位”的跳變,并且該跳變落在了同步段之外,就會引起一次重同步。重同步機制可以根據(jù)跳變沿加長或者縮短位時間以調整采樣點的位置,保證正確采樣。

2 CAN總線的接口

  CAN總線的接口主要包括電源電路、復位電路、時鐘電路和STC15F2K60S2單片機與SJA1000接口電路、CAN總線收發(fā)器電路幾部分。

  2.1 CAN總線控制器SJA1000

  SJA1000是NXP公司研制的一款獨立CAN控制器,可以完成CAN總線標準中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能,在汽車制造和其他的工業(yè)領域得到了十分廣泛的應用。SJA1000有BasicCAN 模式和PeliCAN模式兩種不同的協(xié)議模式。BasicCAN模式是復位時默認模式,這種模式與早期產品PCA82C200兼容,只支持CAN 2.0A協(xié)議;PeliCAN模式是新增加的工作模式,支持CAN 2.0B協(xié)議的一些新特性。

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  SJA1000的內部功能結構如圖1所示,主要包括接口管理邏輯、發(fā)送緩沖器、接收緩沖器、驗收過濾器、位流處理器、位定時邏輯和錯誤管理邏輯等功能單元。

  2.2 CAN總線收發(fā)器PCA82C250

  PCA82C250是NXP公司針對汽車中的高速應用而生產的CAN總線收發(fā)器。CAN總線收發(fā)器是CAN控制器和物理總線的接口,用于對總線提供差動發(fā)送能力和對CAN控制器提供差動接收能力。PCA82C250是目前應用最廣泛的CAN總線收發(fā)器。設計CAN總線接口時,PCA82C250一般與CAN控制器(例如SJA1000)配合工作。

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  PCA82C250的內部功能結構如圖2所示,主要包括基準電壓、發(fā)送器、接收器、保護電路和工作模式控制電路等。

  PCA82C250的工作模式:通過斜率電阻輸入引腳(RS)的3種不同接法,可以設置PCA82C250的工作模式,如表1所示。

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 ?、鸥咚倌J健T诟咚俟ぷ髂J较?,發(fā)送器輸出級晶體管將以盡可能快的速度打開和關閉,且不采用任何措施用于限制上升和下降的斜率。采用高速模式時,最好使用屏蔽電纜以避免射頻干擾問題。通過把斜率電阻輸入引腳(RS)接地選擇高速模式。

 ?、菩甭士刂颇J健τ谳^低速度或較短總線長度的應用場合,可使用非屏蔽雙絞線或平行線作為總線。此時,為降低射頻干擾,應對上升斜率和下降斜率進行控制。上升斜率和下降斜率可通過由斜率電阻輸入引腳(RS)接至地的連接電阻進行控制,斜率正比于斜率電阻輸入引腳(RS)的電流輸出。

 ?、谴龣C模式。通過斜率電阻輸入引腳(RS)接至高電平選擇低電流待機模式。在此模式下,發(fā)送器被關閉,而接收器轉至低電流。若在總線上檢測到顯性位,RXD將變?yōu)榈碗娖健N⒖刂破鲬獙CA82C250轉回至正常工作狀態(tài),以對此信號作出響應。注意:由于處在待機模式下,接收器是慢速的,因此,第一個報文將被丟失。

  2.3 STC15F2K60S2單片機

  STC15F2K60S2單片機是STC公司生產的單時鐘/機器周期(1T)的單片機,指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8~12倍。內部集成高精度R/C時鐘,5 MHz~ 35 MHz范圍內可設置,可省掉外部電路的晶振和外部的復位電路,芯片內置2 KB容量的SRAM和60KB容量程序存儲器。工作電壓范圍為3.8 V~5.5 V,是寬電壓范圍。

  2.4 STC15F2K60S2單片機與SJA1000接口電路

  stc15f2k60s2單片機與SJA1000接口電路主要包括數(shù)據(jù)線、地址線和控制線的接線設計,如圖2-3所示。SJA1000的MODE接高電平選擇Intel接口模式。STC15F2K60S2單片機的P0口接SJA1000的數(shù)據(jù)/地址總線,8位數(shù)據(jù)線用于單片機與SJA1000之間的數(shù)據(jù)傳遞,低8位地址線用于SJA1000內部的CAN地址尋址。STC15F2K60S2單片機可采用線選法提供片選信號,即SJA1000的片選線接P2口任意一個口線(高8位地址線)。圖3中P2.7作為SJA1000的片選線,則片選地址為7F00H,片選地址和CAN地址相加得到SJA1000內部寄存器的地址。單片機和SJA1000的讀寫允許信號、地址鎖存信號控制線對應連接即可。

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  2.5 CAN總線收發(fā)器電路

  CAN總線收發(fā)器電路是指SJA1000與PCA82C250之間的電路,主要包括串行通信線和模式選擇兩部分。串行通信線包括串行數(shù)據(jù)發(fā)送線和串行數(shù)據(jù)接收線,如不采用光電隔離則SJA1000與PCA82C250對應連接即可,如圖4所示。PCA82C250若需要使用待機模式時,RS引腳可以連接微控制器的I/O線P2.0;若不使用待機模式時,RS引腳可以經電阻接地(斜率控制模式)。

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3 CAN總線接口軟件設計

  CAN總線接口軟件設計主要分為初始化程序、發(fā)送子程序和接收子程序3部分。

  3.1 SJA1000初始化程序

  SJA1000要完成正常的CAN通信,需要進行必要的初始化參數(shù)設置。這些初始化參數(shù)包括驗收過濾器、總線定時寄存器、輸出驅動方式和中斷系統(tǒng)等。這些設置實際上是對SJA1000內部相關寄存器的寫操作。SJA1000初始化的程序流程如圖5所示。

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  3.2 發(fā)送子程序

  發(fā)送子程序主要分為3個流程:⑴判斷SJA1000當前的狀態(tài)是否允許報文發(fā)送;⑵將要發(fā)送的數(shù)據(jù)按照CAN協(xié)議規(guī)定的幀格式組成數(shù)據(jù)幀,存入SJA1000的發(fā)送緩沖器;⑶寫發(fā)送命令。發(fā)送子程序流程如圖6所示。發(fā)送前,一般檢查3個狀態(tài)位:一是接收狀態(tài),如果目前SJA1000正在接收報文,則不能發(fā)送,至少等本次接收完成后才能申請發(fā)送;二是檢查發(fā)送完成狀態(tài),也即檢查 SJA1000是否正在發(fā)送報文。如果正在發(fā)送,要等本次發(fā)送完成,才能啟動新的發(fā)送任務;三是檢查發(fā)送緩沖器是否被鎖定,發(fā)送緩沖器處于不鎖定狀態(tài),才能發(fā)送報文。

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  3.3 接收子程序

  接收子程序的處理比發(fā)送子程序要復雜些。在接收子程序中,不僅要對接收數(shù)據(jù)作出處理,還要對各種錯誤、數(shù)據(jù)溢出等進行判斷和處理,由于篇幅限制,本文只討論對接收數(shù)據(jù)作出處理。接收子程序主要分為3個流程:⑴判斷SJA1000是否有報文可以接收;⑵讀取SJA1000的接收緩沖器中的報文;⑶寫釋放接收緩沖器命令。接收數(shù)據(jù)處理有:查詢接收方式和中斷接收方式兩種。圖7為查詢方式接收子程序流程圖。

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  本文介紹的采用STC15F2K60S2單片機結合SJA1000和PCA82C250芯片實現(xiàn)CAN總線的接口已經在某鋼管廠無損探傷設備上得到了實際應用,原系統(tǒng)采用的是RS-232串行總線的形式,不僅工程安裝復雜,成本高,而且數(shù)據(jù)傳輸速率低,實時更新慢,經常出現(xiàn)檢查跟蹤滯后的情況。采用CAN總線后,系統(tǒng)的抗干擾能力明顯提高,特別是對微弱信號的分辨,較以前的系統(tǒng)有很大的改善,漏檢率明顯下降,保證了產品的合格率。

參考文獻

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