摘 要： CAN總線是一種應(yīng)用廣泛的實(shí)時性現(xiàn)場總線，提出了基于具有ARM7TDMI內(nèi)核的32位微控制器" title="微控制器">微控制器的CAN總線智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案。詳細(xì)介紹了ARM控制器(LPC2294)的特點(diǎn)、智能節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，同時結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際使用給出了硬件抗干擾措施。
關(guān)鍵詞： CAN總線 ARM 嵌入式控制器
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CAN(Controller Area Network)即控制器局域網(wǎng)，CAN總線是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。它最早是由德國Bosch公司推出的，CAN通信協(xié)議是一種用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。
作為一種技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、功能完善、成本合理的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通訊控制方式，CAN總線已被廣泛應(yīng)用于各個自動化控制系統(tǒng)中。例如，在汽車電子、自動控制、智能大廈、電力系統(tǒng)、安防監(jiān)控等各領(lǐng)域中，CAN總線具有不可比擬的優(yōu)越性。本設(shè)計(jì)給出CAN總線節(jié)點(diǎn)方案。它采用內(nèi)置多路CAN總線控制器的LPC2294作為主控制器，使得該節(jié)點(diǎn)體積小、功耗低、抗干擾性好，因而特別適用于汽車、工業(yè)控制以及醫(yī)療系統(tǒng)和容錯維護(hù)總線中。
1 硬件設(shè)計(jì)
1.1 LPC2294的特點(diǎn)
ARM7系列具有ARM7TDMI內(nèi)核的32位嵌入式微處理器是目前應(yīng)用很廣的嵌入式RISC處理器。該系列芯片體積小、功耗低、成本低，高性能與靈活性相結(jié)合，有較多的寄存器，提供了擴(kuò)充的增強(qiáng)的固定長的16/ 32 位雙指令集" title="指令集">指令集。用16 位的Thumb指令可以節(jié)省高達(dá)35%的空間。另外它還實(shí)行流水線作業(yè)，提供嵌入式ICE2RT邏輯，支持片上斷點(diǎn)和調(diào)試點(diǎn)支持，具有先進(jìn)的軟件開發(fā)和調(diào)試環(huán)境。
本設(shè)計(jì)選用的LPC2294是PHILIPS公司新推出的一款功能強(qiáng)大的超低功耗的具有ARM7TDMI內(nèi)核的32位微控制器。144腳封裝、兩個32位定時器、八路10位ADC、四路CAN通道和PWM通道以及多達(dá)九個的外部中斷，內(nèi)部嵌入256K字節(jié)高速Flash 存儲器和16K 字節(jié)靜態(tài)RAM，包含76(使用了外部存儲器)～112(單片)個GPIO口。如此豐富的片上資源完全可以滿足一般的工業(yè)控制的需要， 同時還可以減少系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。另外，LPC2294支持JTAG實(shí)時仿真和跟蹤、128位寬度的存儲器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)，使32 位代碼能夠在高達(dá)60MHz 的操作頻率下運(yùn)行。
LPC2294內(nèi)部集成有四路CAN控制器：符合CAN規(guī)范CAN2.0B，ISO 11898-1標(biāo)準(zhǔn)；總線數(shù)據(jù)波特率均可達(dá)1Mbps；可訪問32位的寄存器和RAM；全局驗(yàn)收過濾器可識別幾乎所有總線的11位和29位Rx標(biāo)識符；驗(yàn)收過濾器為選擇的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識符提供了FullCAN-style自動接收功能。
作為本設(shè)計(jì)的核心部件，LPC2294不僅擔(dān)負(fù)起主控制器的作用，同時還作為CAN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)控制器，與網(wǎng)絡(luò)中的其它節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與交換。
1.2 CAN節(jié)點(diǎn)硬件電路組成
CAN節(jié)點(diǎn)硬件電路如圖1所示，由ARM微控制器LPC2294、CAN總線收發(fā)器TJA1050T、高速光耦" title="光耦">光耦6N137和電源隔離模塊B0505S等組成。
主控芯片LPC2294的晶振頻率范圍為1~30MHz。本設(shè)計(jì)選晶振頻率為20MHz，通過設(shè)置內(nèi)部的VPB分頻器可以提高CPU時鐘頻率。內(nèi)部256K字節(jié)的高速Flash 存儲器用于代碼和數(shù)據(jù)的存儲。對于FLASH 存儲器，可通過內(nèi)置的串行JTAG接口進(jìn)行在系統(tǒng)編程(ISP)，或進(jìn)行在應(yīng)用編程(IAP)。為了便于調(diào)試和系統(tǒng)升級，在設(shè)計(jì)中可以預(yù)留這些接口電路。
LPC2294采用雙電源供電。CPU的供電電壓范圍為1.65~1.95V(1.8 V± 8.3%)，I/O的供電電壓范圍為3.0~3.6V(3.3V±10%)。
收發(fā)器TJA1050T 是CAN 協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，它與“ISO 11898”標(biāo)準(zhǔn)完全兼容。CANH和CANL理想配合，可使電磁輻射減到更低。除此之外，TJA1050T不上電時，總線呈現(xiàn)無源特性，這使得TJA1050T在性能上大大優(yōu)于以前的CAN總線收發(fā)器。TJA1050T有兩種工作模式：高速模式和靜音模式(它們由引腳“S”來控制)。在高速模式中，總線輸出信號有固定的斜率，并且以盡量快的速度切換。高速模式適用于最大位速率和最大總線長度的情況，而且此時其收發(fā)器循環(huán)延遲最小。靜音模式時發(fā)送器是禁能的，它不管TxD的輸入信號。靜音模式可以防止CAN控制器不受控制時對網(wǎng)絡(luò)通訊造成堵塞。
1.3 硬件的抗干擾設(shè)計(jì)
在本設(shè)計(jì)所應(yīng)用的場合中，產(chǎn)生電磁信號的設(shè)備較多，包括超短波設(shè)備、音頻設(shè)備、電源等，因此抗干擾設(shè)計(jì)顯得尤其重要。主要采取了以下措施：
(1)為了進(jìn)一步提高CAN 總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，保證各節(jié)點(diǎn)之間在電氣上是完全隔離和獨(dú)立的，LPC2294的TX0和RX0分別通過高速光耦6N137與TJA1050T的TXD和RXD相連。不過，應(yīng)該特別說明的是，光耦部分電路所采用的兩個電源必須完全隔離，否則采用光耦也就失去了意義。電源的完全隔離采用小功率電源隔離模塊B0505S。電路雖復(fù)雜一些，但是卻提高了節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性。
(2)在CAN總線的兩端加有兩個120Ω 的電阻，這兩個電阻對于總線阻抗的匹配起著相當(dāng)重要的作用。去掉它們會使數(shù)據(jù)通信的抗干擾性及可靠性大大降低，甚至無法通信。
(3)CANH 和CANL 與地之間并聯(lián)了兩個30pF的小電容，可以濾除總線上的高頻干擾并且具有一定的防電磁輻射的能力；在兩根CAN總線接入端之間并入了5.6V的TVS管，當(dāng)CAN總線竄入電壓干擾時可通過TVS管的短路起到一定的過壓保護(hù)作用。
(4)為了減小現(xiàn)場對節(jié)點(diǎn)的干擾，采用屏蔽雙絞線，且根據(jù)實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，屏蔽電纜的屏蔽層無需接地。
2 軟件設(shè)計(jì)
軟件調(diào)試環(huán)境采用ARM公司的ARM核處理器集成開發(fā)工具ADSv1.2。ADSv1.2集成了匯編、C、C++編譯器和調(diào)試器，編譯效率高，提供了功能強(qiáng)大的系統(tǒng)庫，支持軟件調(diào)試、JTAG仿真調(diào)試及硬件調(diào)試。本設(shè)計(jì)采用的是JTAG仿真調(diào)試。
對于一般的32位ARM應(yīng)用系統(tǒng)，在運(yùn)行主程序前必須初始化運(yùn)行環(huán)境，即為ARM芯片編寫啟動代碼。該啟動代碼包括異常向量表、堆棧初始化、存儲系統(tǒng)初始化和目標(biāo)板初始化等，一般用匯編語言編寫。對于該設(shè)計(jì)來說，關(guān)鍵的是編寫CAN驅(qū)動程序。主程序只需通過調(diào)用驅(qū)動程序提供的接口來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。驅(qū)動程序包括四部分內(nèi)容：CAN控制器的初始化、接收數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)和總線異常處理。圖2為主程序流程圖。
2.1 CAN控制器初始化
初始化CAN控制器的操作包括：硬件使能、軟件復(fù)位、設(shè)置報警界限、設(shè)置總線波特率、設(shè)置中斷工作方式" title="工作方式">工作方式、設(shè)置驗(yàn)收濾波器" title="驗(yàn)收濾波器">驗(yàn)收濾波器工作方式、設(shè)置工作模式并啟動CAN等。初始化程序如下：
HwEnCAN(CanNum); //硬件使能，CanNum=0~3，指四路CAN控制器
SoftRstCAN(CanNum); //軟件復(fù)位寄存器
CANEWL(CanNum).Bits.EWL_BIT=USE_EWL_CAN[CanNum] ;//設(shè)置錯誤警告界限
CANBTR(CanNum).Word = USE_BTR_CAN[CanNum] ;//初始化波特率
VICDefVectAddr =(UINT32)CANIntPrg; //初始化中斷為非向量中斷
VICIntEnable |=(1＜＜19)|(1＜＜(20+ CanNum))|(1＜＜(26+ CanNum));
CANIER(CanNum).Word= USE_INT_CAN[CanNum];
CANAFMR.Bits.AccBP_BIT=1;//配置驗(yàn)收濾波器(旁路狀態(tài)，即屏蔽驗(yàn)收濾波器)
CANMOD(CanNum).Bits.TPM_BIT=USE_TPM_CAN[CanNum];//初始化工作模式
CANMOD(CanNum).Bits.LOM_BIT=USE_MOD_CAN[CanNum] ;
SoftEnCAN(CanNum); //啟動CAN
LPC2294片內(nèi)外設(shè)與引腳的連接由引腳連接模塊控制。CAN控制器的硬件使能就是通過軟件設(shè)置GPIO寄存器來控制多路開關(guān)的，將特定的引腳與CAN控制器連接起來。在設(shè)置各CAN寄存器之前必須進(jìn)行軟件復(fù)位，這是因?yàn)镃AN的某些寄存器必須在軟復(fù)位狀態(tài)下讀寫。
值得注意的是，LPC2294為所有的CAN控制器提供了全局接收標(biāo)識符查詢功能。2K字節(jié)的接收過濾用RAM可容納1024個標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識符或者512個擴(kuò)展標(biāo)識符或兩種類型混合的標(biāo)識符。通過軟件處理，可在該RAM中設(shè)置存放1～5個標(biāo)識符表格。與獨(dú)立CAN控制器SJA1000相比，它能更容易地對任意復(fù)雜的ID進(jìn)行篩選過濾，滿足復(fù)雜的ID的接收過濾要求。這無疑大大減少了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)復(fù)雜度及運(yùn)行時的負(fù)擔(dān)。設(shè)置驗(yàn)收濾波器工作方式，必須首先創(chuàng)建LUT表格，指定每個表格的起始地址，并用實(shí)際的ID地址初始化該表格。最后設(shè)定驗(yàn)收過濾器模式寄存器。若該節(jié)點(diǎn)不主動發(fā)送數(shù)據(jù)，可選擇在總線不活動時進(jìn)入睡眠模式。
2.2 數(shù)據(jù)發(fā)送
將待發(fā)送的數(shù)據(jù)打包成符合CAN協(xié)議的幀格式后，便可寫入發(fā)送緩沖區(qū)，并啟動發(fā)送。圖3為發(fā)送子程序流程圖。
在寫發(fā)送緩沖區(qū)前必須查詢其狀態(tài)。LPC2294中的每個CAN控制器有三個發(fā)送緩沖區(qū)，它們的狀態(tài)可通過查詢CANSR得知。只有當(dāng)其中有空閑的發(fā)送緩沖區(qū)時才可將數(shù)據(jù)寫入。在發(fā)送大量數(shù)據(jù)時，這一步顯得尤其重要，否則發(fā)送可靠性將不能保證。啟動發(fā)送成功后，只能通過查詢CANGSR的TCS位或配合發(fā)送成功中斷來判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功。
2.3 數(shù)據(jù)接收
接收數(shù)據(jù)可采用查詢方式或中斷方式。在某一段時間內(nèi)，CAN總線并不總是在活動，為了提高效率，可采用中斷方式。在初始化程序中必須使能接收中斷。在中斷服務(wù)子程序中，讀取CANICR,判斷是否有接收中斷標(biāo)志，有則讀取接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。為了防止接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)溢出，可開辟一個循環(huán)接收數(shù)據(jù)隊(duì)列來暫時存儲數(shù)據(jù)，主程序則通過查詢該隊(duì)列來獲得總線數(shù)據(jù)。
2.4 異常情況處理
在總線發(fā)生嚴(yán)重故障的情況下，CAN節(jié)點(diǎn)有可能脫離總線，此時以下寄存器位被置位：CANSR的BS位、CANIR的BEI位和EI位(如果使能)和CANMOD的RM位。RM將許多CAN控制器功能復(fù)位和禁止。軟件下一步必須置零RM位。發(fā)送錯誤計(jì)數(shù)器將遞減計(jì)數(shù)總線釋放條件(11個連續(xù)的隱性位)的第128個事件。軟件可通過讀取Tx錯誤計(jì)數(shù)器對計(jì)數(shù)器遞減計(jì)數(shù)的情況進(jìn)行監(jiān)測。
在應(yīng)用中，若前面?zhèn)鬏數(shù)紺AN控制器的數(shù)據(jù)未被讀出，而接收緩沖區(qū)又沒有及時釋放，就有可能引起后面信息的丟失。這時必須通過寫命令寄存器來清除CANSR的數(shù)據(jù)溢出位。這兩種異常可通過異常中斷來處理，只要在中斷子程序中加入處理代碼即可。其它的總線異常處理可根據(jù)使用情況決定是否在軟件中處理。
總之，軟件的編寫和規(guī)劃相當(dāng)重要。ARM7TDMI指令集是基于RISC的，具有32位ARM/16位Thumb雙指令集，ARM/Thumb程序可通過改寫程序狀態(tài)寄存器CPSR相互調(diào)用。因此，為了提高程序代碼密度，某些對性能要求不高的代碼可用Thumb指令集編寫。
由于該方案體積小、功耗低、抗干擾性好，現(xiàn)已應(yīng)用于電磁環(huán)境復(fù)雜的某車載通信設(shè)備中，滿足了該項(xiàng)目對CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的要求。
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