基于飛利浦P8XC591的CAN總線節(jié)點擴(kuò)展

關(guān)鍵詞:CAN總線；節(jié)點；信息幀；總線仲裁

引言

由于CAN總線具有通訊速率高，可靠性高，連接方便和性能價格比高等諸多特點，CAN的應(yīng)用范圍遍及從高速網(wǎng)絡(luò)到低成本的多線路網(wǎng)絡(luò)。在自動化電子領(lǐng)域的汽車發(fā)動機(jī)控制部件、傳感器、抗滑系統(tǒng)、工業(yè)自動化、建筑物環(huán)境控制、機(jī)床、電梯控制、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用。
CAN的信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，因而傳輸時間短，受干擾的概率低。當(dāng)節(jié)點嚴(yán)重錯誤時，具有自動關(guān)閉的功能以切斷該節(jié)點與總線的聯(lián)系，使總線上的其它節(jié)點及其通信不受影響，具有較強(qiáng)的抗干擾能力和檢錯能力。CAN控制器支持四種不同的CAN協(xié)議類型：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、出錯幀和超載幀。
CAN支持多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任何節(jié)點均可在任意時刻主動向其它節(jié)點發(fā)送信息，支持點對點、一點對多點和全局廣播方式接收/發(fā)送數(shù)據(jù)。它采用總線仲裁技術(shù)，當(dāng)出現(xiàn)幾個節(jié)點同時在網(wǎng)絡(luò)上傳輸信息時，優(yōu)先級高的節(jié)點可繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級低的節(jié)點則主動停止發(fā)送，從而避免了總線沖突。
CAN總線信號傳輸介質(zhì)使用特性阻抗為120Ω的雙絞線, 信號傳輸方式和RS485一樣，也采用差動發(fā)送和差動接收的方式。理論上使用CAN2.0A總線的節(jié)點可達(dá)到2032個,CAN2.0B則可以達(dá)到5億多個。使用PCA82C250 作為CAN總線的收發(fā)器時,CAN直接通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá)到10km(傳輸率為5kbps)，通迅速率最高可達(dá)1Mbps(傳輸距離為40m)；由于收發(fā)器的限制,CAN總線上節(jié)點數(shù)實際上最多可達(dá)110個。對于節(jié)點超過110個的CAN網(wǎng)絡(luò),可以使用CAN網(wǎng)關(guān)對CAN總線進(jìn)行擴(kuò)展，以達(dá)到用戶的要求。
網(wǎng)關(guān)可以采用特定的控制邏輯去控制一對背-背相接的收發(fā)器PCA82C250,連接兩個物理上完全獨立的CAN網(wǎng),雙向傳輸數(shù)據(jù),從物理層上來看,它實現(xiàn)了CAN總線信號的中繼；也可以采用P8XC591+SJA1000的結(jié)構(gòu)去實現(xiàn)。下面將著重介紹后者的硬件及軟件實現(xiàn)。

P8XC591片上自帶 CAN 的微控制器
P8XC591 是一個高性能的 微控制器, 它的硬件結(jié)構(gòu)及增強(qiáng)型的飛利浦“RX+ 內(nèi)核”使得其可以廣泛用于工業(yè)控制和汽車領(lǐng)域。片上自帶的CAN控制器為CAN的應(yīng)用提供了許多專用的硬件功能。P8XC591 完全履行CAN2.0B 規(guī)范，并提供一個直接從SJA1000 獨立CAN 控制器的軟件移植路徑。P8XC591 具有CAN 的擴(kuò)充特性，其中包括增強(qiáng)型接收濾波器、支持系統(tǒng)維護(hù)、診斷、系統(tǒng)優(yōu)化以及接收FIFO 特性等。圖1為P83C591 ROM 或P87C591 OTP 的方框圖。

圖1 P83C591 ROM 或P87C591 OTP 的方框圖

圖２ P8XC591與CAN 網(wǎng)絡(luò)2的連接

圖3 P8XC591通過SJA1000與CAN 網(wǎng)絡(luò)1的連接

圖4 P87C591的初始化流程圖

圖5 CAN網(wǎng)絡(luò)1接點N與CAN網(wǎng)絡(luò)2接點N信息交換的示意圖

P8XC591 除了標(biāo)準(zhǔn)的外圍功能以外，還有一個強(qiáng)大的CAN 控制器模塊。該嵌入式CAN 控制器還包括了下列功能模塊：CAN 內(nèi)核模塊，根據(jù)CAN2.0B 規(guī)范控制CAN 幀的發(fā)送和接收；CAN 接口模塊，包含5 個實現(xiàn)CPU 與CAN 控制器連接的特殊功能寄存器，對重要CAN 寄存器的訪問通過快速自動增加的尋址特性和對特殊功能寄存器的位尋址來實現(xiàn)；CAN 控制器的發(fā)送緩沖區(qū)模塊，能夠保存一個完整的CAN 信息擴(kuò)展或標(biāo)準(zhǔn)幀格式。只要通過CPU 啟動發(fā)送信息，字節(jié)就從發(fā)送緩沖區(qū)傳輸?shù)紺AN 內(nèi)核模塊。當(dāng)接收一個信息時，CAN 內(nèi)核模塊將串行位流轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)輸入到接收濾波器，通過該可編程濾波器，P8XC591 確定實際接收到的信息，所有由接收濾波器接收的數(shù)據(jù)都保存在接收FIFO(64字節(jié)) 中，由于操作模式和數(shù)據(jù)長度的不同，該接收緩沖區(qū)最多可保存21 個CAN 信息。這使用戶在指定系統(tǒng)的中斷服務(wù)和中斷優(yōu)先級時有更多的靈活性，因為數(shù)據(jù)溢出的可能性大大降低。
除了普通的CAN 特性以外，P8XC591 還提供增強(qiáng)型PeliCAN。PeliCAN具有 4 個獨立可配置的接收濾波器組； 每個組都有4 個可選的接收濾波器配置； 每個接收濾波器都有32 位區(qū)分符、32 位代碼和32 位屏蔽； 所有濾波器配置都可在運行中改變；支持更高層的協(xié)議的接收濾波器；接收FIFO 特性； 只聽模式及自檢測模式； 只有達(dá)到FIFO 接收中斷級才產(chǎn)生接收中斷； 在接收到高優(yōu)先級數(shù)據(jù)幀時立即產(chǎn)生接收中斷；系統(tǒng)維護(hù)診斷和優(yōu)化特性。

硬件電路設(shè)計
硬件電路的設(shè)計采用了飛利浦片上自帶CAN控制器的單片機(jī)P8XC591和獨立的CAN控制器SJA1000。兩者都支持CAN2.0B協(xié)議。P87C591片上自帶的CAN控制器在軟件上是向上兼容SJA1000的。相應(yīng)的硬件電路如圖２和圖3所示。
P8XC591所連接的CAN 節(jié)點電路所需要的外部元件僅僅是一個晶振加兩個電容驅(qū)動片內(nèi)振蕩器、一個連接到復(fù)位腳的電阻、電容。使用片內(nèi)上電復(fù)位電路以及一個收發(fā)器用于將P8XC591 連接到CAN 總線。
P87C591通過對CAN的特殊功能寄存器，如地址寄存器(CANADR)、數(shù)據(jù)寄存器CANDAT)、模式寄存器(CANMOD)、控制寄存器(CANCON)、狀態(tài)寄存器(CANSTA)、總線定時寄存器(BTR0、 BTR1)等的設(shè)置，以及對收發(fā)緩沖區(qū)的讀寫(接收緩沖區(qū)為64字節(jié)的FIFO緩沖區(qū)，最多儲存21幀CAN信息)，從而完成和其它CAN節(jié)點的數(shù)據(jù)交換。
CAN的控制器分別采用了P8xC591和SJA1000，可完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能。CAN收發(fā)器使用飛利浦公司的PCA82C250,它是連接CAN控制器和物理總線之間的接口，提供了對總線的差動發(fā)送和接收能力。它與ISO11898標(biāo)準(zhǔn)完全兼容，有三種不同的工作方式即高速、斜率控制和待機(jī)，可根據(jù)實際情況選擇。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在控制器SJA1000和收發(fā)器PCA82C250之間，P87C591和收發(fā)器PCA82C250之間均增加了由高速隔離器件6N137構(gòu)成的隔離電路。硬件電路中使用PCA82C250是為了增加通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護(hù)總線，降低干擾等。
微處理器P87C591和SJA1000均使用12MHz的石英晶體，以獲得相同的時鐘信號。由于P87C591含有片上的CAN控制器,通過TXDC,RXDC兩個管腳，P87C591就可和外部的CAN節(jié)點交換數(shù)據(jù)。另一方面,P87C591直接控制SJA1000的AD0~AD7、、、ALE、RST 和管腳，SJA1000的MODE管腳接高電平，工作在Intel模式下；片選管腳接地，使SJA1000始終處于選通狀態(tài)。P87C591對 SJA1000的操作主要是對寄存器中的模式寄存器 (MOD)、命令寄存器(CMR)、狀態(tài)寄存器(SR)、中斷寄存器( IR)、中斷允許寄存器(IEP)、總線定時寄存器(BTR0、 BTR1)、輸出控制寄存器(OCR)、時鐘分頻計數(shù)器(CDR)進(jìn)行設(shè)置和檢測，以及對收發(fā)緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫，從而完成和其它CAN節(jié)點的數(shù)據(jù)交換。
如圖２和圖3所示，為了能使CAN 網(wǎng)絡(luò)1(最多110個節(jié)點)的信息和CAN 網(wǎng)絡(luò)2(最多110個節(jié)點)的信息共享，P87C591在軟件上必須使得任何格式的數(shù)據(jù)能實時的從CAN網(wǎng)絡(luò)1傳送到CAN 網(wǎng)絡(luò)2，以及信息從CAN 網(wǎng)絡(luò)2傳送到CAN網(wǎng)絡(luò)1。這樣，兩個不同的子網(wǎng)就實現(xiàn)了互聯(lián)，CAN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點得到了擴(kuò)展。

軟件設(shè)計
?在初始化SJA1000時，必須設(shè)置接收代碼寄存器ACRn，接收代碼屏蔽寄存器AMRn的值為FF，以能收發(fā)所有的數(shù)據(jù)。由于P87C591片上自帶的CAN控制器在軟件上是向上兼容SJA1000的，所以對SJA1000的初始化，讀、寫的流程與P87C591(見圖4)基本類似。
?ＣＡＮ網(wǎng)絡(luò)1接點與ＣＡＮ網(wǎng)絡(luò)2接點信息交換的示意圖如圖5。
·初始化部分的原程序如下:
#include
void init_can_controller ( void )
{
　CANMOD = 0x01; /*進(jìn)入復(fù)位模式,啟動CAN初始化 */
　P1M2 = P1M2 | 0x02;　　　　 /* 管腳TXDC 設(shè)置為推挽模式*/
　CANSTA = 0x03; 　　　　　　/* 使能接收和發(fā)送中斷*/
　CANADR = BTR0;　　　　　　 /* BTR0和BTR1編程為125 kbit/s @12 MHz */
　CANDAT = 0x45;
　CANADR = BTR1; 　　　　　　/* TSEG1 = 12, TSEG2 = 3, SJW = 2 */
　CANDAT = 0x2B; 　　　　　　/*用戶可根據(jù)具體的CAN網(wǎng)絡(luò)來調(diào)整BTR0,BTR1的參數(shù)*/
CANADR = AMR10; /*設(shè)定接收屏蔽寄存器的地址*/
CANDAT = 0xFF; /*Bank1:與 接收屏蔽寄存器1無關(guān),允許任何數(shù)據(jù)通過濾波器*/
CANDAT = 0xFF; 　 /*Bank1:與 接收屏蔽寄存器2無關(guān),允許任何數(shù)據(jù)通過濾波器*/
CANDAT = 0xFF; /*Bank1:與 接收屏蔽寄存器3無關(guān),允許任何數(shù)據(jù)通過濾波器*/
CANDAT = 0xFF; 　　　 /*Bank1:與 接收屏蔽寄存器4無關(guān),允許任何數(shù)據(jù)通過濾波器*/
CANADR = ACFMODE; /*設(shè)定接收濾波器模式寄存器的地址*/
CANDAT = 0x01; /*設(shè)定BANK1為單濾波模式,標(biāo)準(zhǔn)幀*/
CANADR = ACFENA; /*設(shè)定接收濾波器使能寄存器的地址*/
CANDAT = 0x01; /*使能BANK1的濾波器1*/
CANMOD = 0x00; /*請求進(jìn)入CAN的激活模式*/
while (CANSTA & 0x80); /*等待總線激活*/
}
類似以上的設(shè)置可以使得所有的CAN信息都通過CAN的接收濾波器而到達(dá)接收緩沖區(qū),從而為不同CAN網(wǎng)絡(luò)信息的交換奠定了基礎(chǔ)?！?軟件設(shè)計部分的詳細(xì)內(nèi)容見本刊網(wǎng)站www.eaw.com.cn)

參考文獻(xiàn)
1 Philips SJA1000--Stand-alone CAN Controller. DATA SHEET.1999
2 Philips PCA82C250 CAN Controller Interface. DATA SHEET.1997
3 鄔寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計.北京航空航天大學(xué)出版社.1996