基于AVR處理器的CAN總線設計方案

1 前 言

現場總線是當前工業總線領域中最活躍的一個領域， CAN 總線是工業數據總線領域重要的現場總線之一。CAN 是Contro ller Area N etw ork的縮寫， 是國際標準化的串行通信協議。在當今的汽車產業中， 出于對安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求， 各種各樣的電子控制系統被開發出來。由于這些系統之間通信所用的數據類型及對可靠性的要求不盡相同， 由多條總線構成的情況很多， 線束的數量也隨之增加。為減少線束的數量、通過多個LAN進行大量數據的高速通信， 1986年德國電氣商博世公司開發出面向汽車的CAN 通信協議。而今CAN 在歐洲已是汽車網絡的標準協議。CAN 的初衷是為了解決汽車里多種復雜數據的通信， 后來證實在很多工業領域也能應用自如。

2 CAN 總線特性及當今狀況

CAN 總線與其他通訊網絡的不同之處在于: 報文傳送中不包括目標地址， 以全網廣播為基礎， 各接收站根據報文中反映數據性質的標識符過濾報文;強化了對數據安全性的關注， 滿足控制系統較高的數據需求。它具有如下顯著特征: 極高的總線利用率、低成本、高速的數據傳輸速率、遠距離傳輸、可靠的錯誤處理和檢錯機制、可根據報文的ID決定接收或屏蔽該報文， 節點在錯誤嚴重的情況下具有自動退出總線的功能等等。

CAN 總線所需完善的通信協議可由CAN 控制器芯片和接口芯片實現， 大大降低了系統的開發難度、組成成本、縮短了開發周期， 其高性能高可靠性以及靈活的設計受到人們的重視， 應用也越來越廣泛。目前比較流行的控制器芯片是飛利浦公司的SJA1000和收發器芯片TJA1050。

由于近幾年來CAN 總線技術逐步在我國推廣開來， CAN 總線技術的獨特特點 傳輸數據的可靠性和實時性， 已獲得國際自動化控制領域的認可，其應用前景十分光明。國內推動CAN 總線技術進步的應用事例不斷擴展， 積極促進了我國自動化技術的進步。由于CAN 總線本身的特點， 其應用范圍己經擴展到過程工業、機械工業、數控機床、醫療機械、家用電器及傳感器等領域， 而在電梯控制系統中， 主板需要接收不同樓層呼梯、轎廂里呼梯、調整電梯運行參數等多路信號， 因此CAN 總線的優勢明顯。如圖1所示。

圖1 CAN總線應用拓撲結構

3 集成CAN 控制器的ARM 微處理器

CAN 總線基于一組嚴格的協議， 一般來說在主CPU 外接一個專用CAN 控制器以實現。由于近年來微處理器的迅速發展， 出現了很多功能強大的集成CAN 控制器的CPU， 使得在CAN 總線應用上又簡便了一些。而在價格上， 集成CAN 總線的微處理器和一般處理器加上專用CAN 控制器芯片的價格相當， 所以， 集成CAN 總線的微處理器必然成為今后CAN 總線應用的趨勢。NXP 公司生產的ARM結構LPC2294就是其中一款流行的帶CAN 總線控制器的CPU。它是基于一個支持實時仿真和跟蹤的32位ARM7TDM I- S CPU 的微控制器， 并帶有256k字節嵌入的高速Flash 存儲器。極低的功耗、多個32位定時器、8路10位ADC、4路CAN以及多達9個外部中斷使它們特別適用于工業控制， 因此，LPC2294也可作為電梯控制系統的主控制器。

4 集成CAN 控制器的高端8位AVR

上文提到， 電梯控制系統需要處理多路信息， 而且它們可能是具有不同傳輸速率的， 因此需要使用不同通道的CAN 總線控制器。對于控制系統， 必須具有可操作性， 考慮到要減輕主CPU 的負擔， 因此，設計一個簡單的操作系統對主系統進行操作， 而數據的交換方式就是采用CAN 總線傳輸， 此文中稱這個操作系統為副系統。副系統相對比較簡單， 其功能主要包括: ! 和主板進行信息交換; ? 具有按鍵供輸入; # 具有顯示信息的顯示器。針對功能的需要和程序的體積， 選用了ATMEL公司近年力推的8位AVR控制器at90can128。

a t90can128是一種基于AVR 增強型R ISC結構的低功耗CMOS 8位單片機。通過執行一個單時鐘周期的高效指令， AT90CAN128每MH z能達1M IPS，這就可讓系統設計人員將功率損耗與處理速度優化。AVR內核具有豐富的指令集并帶有32個通用目的工作寄存器。32 個寄存器全都直接連到運算邏輯單元( ALU ) ， 允許兩個獨立的寄存器在一個時鐘周期執行單個指令的方式訪問。其結果就是， 采用這種結構的速度比常規的R ISC單片機快10倍的同時代碼效率更高。它除了擁有一般AVR 處理器的AD 模塊， SPI模塊外， 還集成CAN 控制器， 為搭建基于CAN 通信的系統提供了便利。控制結構如圖2所示。

圖2 at90can128的CAN控制結構。

對于復雜的CAN 通信協議， 在此不詳述， 以下就at90can128的CAN控制器使用作介紹。

a t90can128的CAN 控制器提供了所有有利于消息管理的硬件， 對于每個要發送或接收的信息都是通過一個叫做消息對象( message ob ject) 的東西來封裝起來的。在對模塊初始化的時候， 程序會指定哪些消息要發送， 哪些消息要接收， 只有那些約定好標識符的消息才能被正確無誤地交換。另外， 對于接收到的遠程幀， 控制器會進行相應的自動回復。

所以在這種方式下， 相對于最原始的CAN 控制方式， CPU 的負擔大大減小了。用戶可以根據自身要求， 通過對相關寄存器進行配置達到自己的要求。

而在發送消息之前， 必須初始化幾個字段:

其中IDT 是標識符字段， IDE 是標識符擴展使能選擇， RTRTAG是遠程傳輸請求， DLC 是數據長度代碼， RBnTAG 是保留字段( n = 0， 1) ， MSG 是指向相應MOB的CAN 數據。當MOB 的發送指令執行后， MOB 就會準備發送一個數據或者是一個遠程幀。接著， CAN 通道就會掃描各個MOB， 尋找到優先級最高的MOB， 將其發送出去。當傳送成功后，MOB 狀態寄存器CANSTMOB 中的TXOK 位就會置位。而最重要的是， 對于每一次新的數據傳輸都必須重新對相關寄存器初始化， 否則無法正常工作。

接收消息之前所要做的初始化步驟基本相同，只是多了IDMSK 和IDEMSK 標識符掩碼的設置。

以下就給出基于AVR at90can128CAN 總線接口初始化以及發送、接收功能模塊的關鍵代碼及注解(見圖3)。

圖3 電梯系統主板與調試器之間的CAN通信。

CAN 初始化:

CANGCON | = 0X01;

for( i= 0; i 15; i+ + )

{

CANPAGE = i 4; / /將15個MOB 都初始化一次

CANCDMOB = 0;

CANSTMOB= 0;

CAN IDT1= 0;

CAN IDT2= 0;

……

for( j= 0; j 8; j+ + )

CANMSG= 0;

CANBT1= 0X1E; / /設置CAN 傳輸波特率, 16分頻

CANBT2= 0X40;

CANBT3= 0X49;

CANPAGE = ( 0 4) ; / /選擇MOB0作為接收MOB, 并設定標識碼

CAN IDT1= 0X00;

CAN IDM1= 0X00;

……

CANPAGE = ( 1 4); / /選擇MOB1作為發送MOB, 并設定標識碼

CAN IDT1= 0X00;

……

}

發送模塊代碼:

CANPAGE = ( 1 4); / /選定MOB1

If( ( CANGSTA 0X10) = = 0) / /查詢CAN 狀態寄存器的TXBSY 位, 為0, 則可以發送

for( i= 0; i 8; i+ + )

{

CANMSG= my _dada[ i] ; / /將要發送的數據裝入數據寄存器中, 共8 by te

CANCDMOB | = 0X48; / /發送

}

接收模塊代碼是類似的， 設計思路都是在判斷發送允許標志之后， 如果允許， 就將數據裝入到指定的MOB中， 而每個MOB 一個發送周期一共可以發送8byte的數據。而CAN 總線的另一端是NXP公司LPC2294的CAN總線外圍， 其結構和原理都差不多， 當然， 在寄存器設置中會有一點差別， 但只要兩個CPU 約定好數據幀的標識符編號是什么， 傳輸速率相同， 就可以進行數據交換了。由于篇幅有限，LPC2294的CAN接口設置在此就不作介紹了。

最后給出了CAN 總線應用CPU 外部的硬件原理參考圖， 如圖4所示。

5 CAN 總線收發器TJA1050硬件連接圖

圖中CAN 收發器為NXP公司的TJA1050， TXD和RXD分別連接到CPU 的CAN接口， CANL和CANH 則為與另一個CPU 連接的總線， CANL 和CANH 之間電阻值約為120歐姆， 開關S可以作為CAN 總線的硬件啟用開關。另外， 如果在抗干擾要求高的場合， 可以對TXD 和RXD使用光電隔離。

圖4 CPU 外圍收發器的硬件原理圖。

6 結束語

基于at90can128的CAN 總線模塊設計的電梯系統調試器， 經過長時間的檢驗， 使用良好， 通信正常無誤。在眾多的現場總線當中， CAN 總線憑借其優秀的特性已經為越來越多的工程人員認同和偏愛， 而隨著越來越多的高端CPU 對CAN 控制器的集成和綜合成本的下降， CAN 總線的使用必定會越來越普遍， 其中集成CAN 控制器的8位AVR 也會受到越來越多人的青睞。