一種基于ARM7的CAN總線智能節(jié)點設計方案

摘要：CAN總線是一種應用廣泛的實時性現(xiàn)場總線，提出了基于具有ARM7TDMI內(nèi)核的32位微控制器的CAN總線智能節(jié)點設計方案。詳細介紹了ARM控制(LPC2294)的特點、智能節(jié)點的結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)軟件設計，同時結(jié)合現(xiàn)場實際使用給出了硬件抗干擾措施。

關鍵詞：CAN總線 ARM 嵌入式控制器

CAN(Controller Area Network)即控制器局域網(wǎng)，CAN總線是國際上應用最廣泛的現(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、可靠性高、功能完善、成本合理的遠程網(wǎng)絡通訊控制方式，CAN總線已被廣泛應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、電子系統(tǒng)、安防監(jiān)控等各領域中，CAN總線具有不可比擬的優(yōu)越性。本設計給出CAN總線節(jié)點方案。它采用內(nèi)置多路CAN總線控制器PLC2294作為主控制器，使得該節(jié)點體積小、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)和容錯維護總線中。

1 硬件設計

1.1 LPC2294的特點

ARM7系列具有ARM7TDMI內(nèi)核的32位嵌入式微處理器是目前應用很廣的嵌入式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，提供了擴充的增強的固定長的16/32位雙指令集。用16位的Thumb指令可以節(jié)省高達35%的空間。另外它還實行注水線作業(yè)，提供嵌入式ICE2RT邏輯，支持片上斷點和調(diào)試點支持，具有先進的軟件開發(fā)和調(diào)試環(huán)境。 圖1 本設計選用的LPC2294是PHILIPS公司新推出的一款功能強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)硬件設計的復雜度。另外，LPC2294支持JTAG實時仿真和跟蹤、128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)，使32位代碼能夠在高達60MHz的操作頻率下運行。 LPC2294內(nèi)部集成有四路CAN控制器：符合CAN規(guī)范CAN2.0B,ISO 11989-1標準：總線數(shù)據(jù)波特度均可達1Mbps;可訪問32位的寄存器和RAM;全局驗收過濾器可識別幾乎所有總線的11位和29位Rx標識符;驗收過濾器為選擇的標準標識符提供了FullCAN-style自動接收功能。 作為本設計的核心部件，LPC2294不僅擔起主控制器的作用，同時還作為CAN網(wǎng)絡的節(jié)點控制器，與網(wǎng)絡中的其它節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與交換。

1.2 CAN節(jié)點硬件電路組成

CAN節(jié)點硬件電路如圖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。本設計選晶振頻率為20MHz，通過設置內(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接口進行在系統(tǒng)編程(ISP)，或進行在應用編程(IAP)。為了便于調(diào)試和系統(tǒng)升級，在設計中可以預留這些接口電路。 LPC2294采用雙電源供電。CPU的供電電壓范圍為1.65～1.95V(1.8V%26;#177;8.3%),I/O的供電電壓范圍為 3.0～3.6V(3.3V%26;#177;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”標準完全兼容。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度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)絡通訊造成堵塞。

1.3 硬件的抗干擾設計

在本設計所應用的場合中，產(chǎn)生電磁信號的設備較多，包括超短波設備、音頻設備、電源等，因此抗干擾設備顯示尤其重要。主要采取了以下措施： (1) 為了進一步提高CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，保證各節(jié)點之間在電氣上是完全隔離和獨立的，LPC2294的TX0和RX0分別通過高速光耦6N137與TJA1050T的TXD的RXD相連。不過，應該特別說明的是，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。電路雖復雜一些，但是卻提高了節(jié)點的穩(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作用。 (4) 為了減小現(xiàn)場對節(jié)點的干擾，有用屏蔽雙絞線，且根據(jù)實際使用經(jīng)驗，屏蔽電纜的屏蔽層無需接地。

2 軟件設計

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，提供了功能強大的系統(tǒng)庫，支持軟件調(diào)式、JTAG仿真調(diào)試及硬件調(diào)試。本設計采用的是JTAG仿真調(diào)試。 對于一般的32位ARM應用系統(tǒng)，在運行主程序前必須初始化運行環(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)初始化和目標板初始化等，一般用匯編語言編寫。對于該設計來說，關鍵的是編寫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、軟件復位、設備報警界限、設備總線波特率、設備中斷工作方式、設備驗收濾波器工作方式、設備工作模式并啟動 CAN等。初始化程序如下： HwEnCAN(CanEum); //硬件使能，CanNum=0～3,指四路CAN控制器 SoftRstCAN(CanNum); //軟件復位寄存器 CANEWL(CanNum).Bits.EWL_BIT=USE_EWL_LAN[CanNum]; //設置錯誤警告界限 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=(1<<19)|(1<<(20+CanNum))|(1<<26+CanNum)); CANIER(CanNum).Word=USE_INT_CAL[CanNum]; CANAFMR.Bits.Accbp_bit=1; //配置驗收濾波器(旁路狀態(tài)，即屏蔽驗收濾波器) 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備GPIO寄存器來控制多路開關的，將特定的引腳與CAN 控制器連接起來。在設備各CAN寄存器之前必須進行軟件復位，這是因為CAN的某些寄存器必須在軟復位狀態(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識符查詢功能。2KRAM可容納1024個標準標識符或者512個擴展標識符或兩種類型混合的標識符。通過軟件處理，可在該RAM中設置存放1～5個標識符表格。與獨立CAN控制器SJA1000相比，它能更容易地任意復雜的ID進行篩選過濾，滿足復雜的ID的接收過濾要求。這無疑大大減少了系統(tǒng)軟件設計復雜度及運行時的負擔。設置驗收濾波器工作方式，必須首選創(chuàng)建LUT表格，指定每個表格的起始地址，并用實際的ID地址初始化該表格。最后設定驗收過濾器模式寄存器。若該節(jié)點不主動發(fā)送數(shù)據(jù)，可選擇在總線不活動時進入睡眠模式。

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)送緩站區(qū)，并自動發(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。只有當其中有空間的發(fā)送緩沖區(qū)即才將數(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位或配置發(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總線并不是總是在活動，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。在中斷服務子程序中，讀取CANICR，判斷是否有接收中斷標志，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)隊列來暫時存儲數(shù)據(jù)，主程序則通過查詢該隊列來獲得總線數(shù)據(jù)。

2.4 異常情況處理

在線總線發(fā)生嚴重故障的情況下，CAN節(jié)點有可能脫離總線，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控制器功能復位和禁止。軟件下一步必須置零RM位。發(fā)送錯誤計數(shù)器將遞減計數(shù)總線釋放條件(11個連續(xù)的隱性位)的第128個事情。軟件可通過讀取Tx錯誤計數(shù)器對計數(shù)器遞減計數(shù)的情況進行監(jiān)測。 在應用中，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?？赏ㄟ^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)劃相當重要。ARM7TDMI指令集是基于RISC的，具有32位ARM/16位Thumb雙指SR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)已應用于電磁環(huán)境復雜的某車載通信設備中，滿足了該項目對CAN網(wǎng)絡點節(jié)的要求。