基于Cortex-M3內核芯片LM3S2965的CAN總線節點設計

引言

　　CAN總線具有通信速率高、可靠性高、連接方便和性能價格比高等諸多特點。CAN(Controller Area Network，控制器局域網)屬于總線式通信網絡，它是一種專門用于工業自動化領域的網絡，不同于以太網等管理和信息處理用網絡，其物理特性及網絡協議特性更強調工業自動化的底層監測及控制。它采用了最新的技術及獨特的設計，可靠性和性能超過了已陳舊的現場通信技術，如RS485、BITBUS等。

　　多數采用微處理器結合CAN控制器芯片的硬件方案，軟件實現上是對CAN控制器芯片的寄存器編程，比較繁瑣。Luminary Micro公司(現已被TI公司收購)所提供的Stellaris系列是基于ARM Cortex-M3的控制器，它們為對成本尤其敏感的嵌入式微控制器應用方案帶來了高性能的32位運算能力。其中，LM3S2000系列是針對控制器局域網(CAN)應用方案而設計的一組芯片，它在Stellaris系列芯片的基礎上擴展了Bosch CAN網絡技術——短距離工業網絡里的黃金標準。

　　目前，很多系統需要稱重數據。本文介紹一種利用LM3S2965芯片設計的CAN總線節點的軟硬件方案，可以直接將儀表與傳感器組成的稱重系統接人現有的分布式網絡中。

1 系統硬件設計

　　基于CAN總線的分布式控制網絡系統如圖1所示。采用現場總線式集散控制系統(Field Distributed Control Svstem，FDCS)結構，由CAN總控中心、控制節點以及CAN現場控制網絡組成。CAN總控中心主要完成在線系統監控，多個智能節點各自獨立完成數據采集、系統設定、運行顯示控制等，通過CAN現場總線，在操作站和智能節點之間交換各種數據和管理控制信息。圖中的任何一個控制節點都可能是稱重系統，由稱重傳感器和稱重儀表組成。通過這個控制網絡，總控中心就可以監控、操作各個稱重單元的工作狀態。

　　本文利用TI公司生產的LM3S2965設計了一種CAN總線系統智能節點。節點包括A／D轉換、顯示、按鍵輸入、CAN接口等多個部分，根據系統的要求還可以增加更多的模塊。本文僅介紹CAN接口部分，其硬件電路如圖2所示。該電路主要包括CAN總線收發器SN65HVD1050D、高速光電耦合器6N137以及與微控制器LM3S2965的接口部分。LM3S2965通過內置CAN控制器極大地簡化了硬件設計和軟件編程，加速了實現方案的設計，且穩定可靠性得到保證。

　　為了增強CAN總線節點的抗干擾能力，LM3S2965的TXO和RXO通過高速光耦6N137與CAN收發器SN65HVD1050D相連，很好地實現了總線上各CAN節點間的電氣隔離。電源的完全隔離可采用小功率電源隔離模塊或帶多5 V隔離輸出的開關電源模塊實現，這些部分雖然增加了節點的復雜程度，但卻提高了節點的穩定性和安全性。6N137光耦合器的使用需要注意兩點：第一，6N137的第6腳輸出電路屬于集電極開路電路，必須接一個上拉電阻；第二，6N137內部的第2腳和第3腳之間是一個LED，必須串接一個限流電阻。

2 系統軟件設計

　　CAN總線節點的軟件設計主要包括3部分：CAN節點初始化、報文發送和報文接收。初始化程序設計對于CAN總線節點的正常工作相當重要。它主要包括工作方式、時鐘輸出寄存器、接收屏蔽寄存器、接收代碼寄存器、總線定時器、輸出控制寄存器和中斷允許寄存器的設置。

　　LM3S2965及其系列芯片由廠家提供了底層的API，用于訪問Stellaris CAN模塊的函數集。這些函數用于對CAN控制器、報文對象進行配置，對CAN中斷進行管理，大大簡化了編程的復雜性，也增強了軟件的移植性。

　　Stellaris CAN模塊提供了CAN數據鏈接層的硬件處理。因為可以被配置成具有報文過濾器并能預載報文數據，所以它能在總線上自動發送和接收報文，并相應地通知應用。它能自動地處理CRC的產生和檢查、錯誤處理以及CAN報文的重發。

　　報文對象存放在CAN控制器中，并且它能提供CAN總線上的CAN模塊的主接口。這32個報文對象中的每一個都能被編程成可以處理一個獨立的報文ID，或能在同一個ID上被一起鏈接成一個幀序列。報文標識符過濾器提供了能被編程為與任何或全部報文ID位相匹配的屏蔽和幀類型。CAN API提供了應用所需要用來實施一個中斷驅動CAN堆棧的全部函數。可使用這些函數控制Stellaris微控制器的任何一個可用的CAN端口，并且函數能與一個端口使用而不會與其他端口造成沖突。

　　默認時CAN模塊被禁止，因此在調用任何其他的CAN函數前，必須要先調用CANInit()函數。這樣就能在使能CAN總線上的控制器前把報文對象初始化到一個安全的狀態。同樣，在使能CAN控制器前，必須對位時序值進行編程。在位時序值被編程為一個適當的值時，應該要調用CAN總線的CANSetBitTiming()函數。一旦調用完這兩個函數，就可使用CANEnable()將CAN控制器使能，如有需要，稍后可使用CANDisable()將其關閉。調用CANDisable()并不會重新初始化一個CAN控制器，因此可以使用它來暫時把CAN控制器從總線上移除。

　　CAN控制器具有很高的可配置性并且包含32個報文對象，在某些條件下這些報文對象能被編程為自動發送和接收CAN報文。報文對象允許應用程序自動執行一些操作而無需與微控制器進行交互。

　　以下是這些操作的一些范例：

　　①立即發送一個數據幀；

　　②當在CAN總線上發現一個正在匹配的遠程幀時，發送一個數據幀；

　　③接收一個特定的數據幀；

　　④接收與某個標識符樣式匹配的數據幀。

　　為了把報文對象配置成可以執行這些操作中的任何一個操作，應用程序必須首先要使用CANMessageSet()來設置32個報文對象中的其中一個。這個函數能把一個報文對象配置成可以發送數據或接收數據。每一個報文對象可以被配置成在發送或接收CAN報文時產生中斷。

　　當從CAN總線接收到數據時，應用程序可以使用CANMessageGet()函數讀取到所接收到的報文。同樣，該函數也能讀取這樣一個報文：在改變報文對象的配置前，報文已被配置以便定位一個報文結構。使用這個函數讀取報文對象，將會清除任何報文對象中正在掛起的中斷。

　　一旦已使用CANMessageSet()來完成對一個報文對象的配置，那么此函數分配報文對象并繼續執行其編程功能，除非通過調用ANMessage-Clear()將其釋放。在對報文對象進行新配置前，無需請求應用程序清除報文對象，因此每次調用CANMessageSet()時，它將會覆蓋任何之前被編程的配置。