基于飛利浦P8XC591的CAN總線節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展

關(guān)鍵詞:CAN總線；節(jié)點(diǎn)；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(jià)格比高等諸多特點(diǎn)，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(dòng)化電子領(lǐng)域的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制部件、傳感器、抗滑系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)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(gè)，因而傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低。當(dāng)節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，具有自動(dòng)關(guān)閉的功能以切斷該節(jié)點(diǎn)與總線的聯(lián)系，使總線上的其它節(jié)點(diǎn)及其通信不受影響，具有較強(qiáng)的抗干擾能力和檢錯(cuò)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(cuò)幀和超載幀。
CAN支持多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任何節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，支持點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸信息時(shí)，優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)可繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級低的節(jié)點(diǎn)則主動(dòng)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(dòng)發(fā)送和差動(dòng)接收的方式。理論上使用CAN2.0A總線的節(jié)點(diǎn)可達(dá)到2032個(gè),CAN2.0B則可以達(dá)到5億多個(gè)。使用PCA82C250 作為CAN總線的收發(fā)器時(shí),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(diǎn)數(shù)實(shí)際上最多可達(dá)110個(gè)。對于節(jié)點(diǎn)超過110個(gè)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(gè)物理上完全獨(dú)立的CAN網(wǎng),雙向傳輸數(shù)據(jù),從物理層上來看,它實(shí)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(shí)現(xiàn)。下面將著重介紹后者的硬件及軟件實(shí)現(xiàn)。

P8XC591片上自帶 CAN 的微控制器
P8XC591 是一個(gè)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(gè)直接從SJA1000 獨(dú)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(diǎn)N與CAN網(wǎng)絡(luò)2接點(diǎn)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(gè)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(gè)實(shí)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(dòng)增加的尋址特性和對特殊功能寄存器的位尋址來實(shí)現(xiàn)；CAN 控制器的發(fā)送緩沖區(qū)模塊，能夠保存一個(gè)完整的CAN 信息擴(kuò)展或標(biāo)準(zhǔn)幀格式。只要通過CPU 啟動(dòng)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(gè)信息時(shí)，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(shí)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(gè)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(shí)有更多的靈活性，因?yàn)閿?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(gè)獨(dú)立可配置的接收濾波器組； 每個(gè)組都有4 個(gè)可選的接收濾波器配置； 每個(gè)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(yùn)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(shí)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(jì)
硬件電路的設(shè)計(jì)采用了飛利浦片上自帶CAN控制器的單片機(jī)P8XC591和獨(dú)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(diǎn)電路所需要的外部元件僅僅是一個(gè)晶振加兩個(gè)電容驅(qū)動(dòng)片內(nèi)振蕩器、一個(gè)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(gè)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(shí)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(diǎn)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(dòng)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(shí)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(shí)鐘信號。由于P87C591含有片上的CAN控制器,通過TXDC,RXDC兩個(gè)管腳，P87C591就可和外部的CAN節(jié)點(diǎn)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(shí)寄存器(BTR0、 BTR1)、輸出控制寄存器(OCR)、時(shí)鐘分頻計(jì)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(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn))的信息和CAN 網(wǎng)絡(luò)2(最多110個(gè)節(jié)點(diǎn))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(shí)時(shí)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(gè)不同的子網(wǎng)就實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)，CAN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)得到了擴(kuò)展。

軟件設(shè)計(jì)
?在初始化SJA1000時(shí)，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(diǎn)與ＣＡＮ網(wǎng)絡(luò)2接點(diǎn)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(dòng)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(jì)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(jì).北京航空航天大學(xué)出版社.1996