有不要微处理器的节点下面以 CAN 通信控制器 SJA1000 为例, 对 CAN 总线系统智能节点硬件和软件设计作一个全面的介绍 CAN 通信控制器 SJA1000 功能简介 CAN 的通信协议主要由 CAN 控制器完成 CAN 控制器主要由实现 CAN 总线协议的部分和实现与微处理器接口部分

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烛梅
5 years ago
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1 CAN 总线系统智能节点设计作者 : 邹继军饶运涛信息工程系华东地质学院摘要 :CAN 总线上的节点是网络上的信息接收和发送站 ; 智能节点能通过编程设置工作方式 ID 地址波特率等参数它主要由单片机和可编程的 CAN 通信控制器组成本文介绍这类节点的硬件设计和软件设计 ; 其中软件设计包括 SJA1000 的初始化发送和接收等应用中的最基本的模块子程序关键词 : 总线节点 CAN 控制器引言 : CAN (Controller Area Network) 总线, 又称控制器局域网, 是 Bosch 公司在现代汽车技术中领先推出的一种多主机局部网, 由于其卓越的性能极高的可靠性独特灵活的设计和低廉的价格, 现已广泛应用于工业现场控制智能大厦小区安防交通工具医疗仪器环境监控等众多领域 CAN 已被公认为几种最有前途的现场总线之一 CAN 总线规范已被 ISO 国际标准组织制订为国际标准,CAN 协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连参考模型基础上的, 主要工作在数据链路层和物理层用户可在其基础上开发适合系统实际需要的应用层通信协议, 但由于 CAN 总线极高的可靠性, 从而使应用层通信协议得以大大简化 CAN 总线与其他几种现场总线比较而言, 是最容易实现价格最为低廉的一种, 但其性能并不比其他现场总线差这也是目前 CAN 总线在众多领域被广泛采用的原因节点是网络上信息的接收和发送站, 所谓智能节点是由微处理器和可编程的 CAN 控制芯片组成, 它们有两者合二为一的, 如芯片 P8XC592, 也有如本文介绍的, 独立的通信控制芯片与单片机接口, 后者的优点是比较灵活当然, 也

2 有不要微处理器的节点下面以 CAN 通信控制器 SJA1000 为例, 对 CAN 总线系统智能节点硬件和软件设计作一个全面的介绍 CAN 通信控制器 SJA1000 功能简介 CAN 的通信协议主要由 CAN 控制器完成 CAN 控制器主要由实现 CAN 总线协议的部分和实现与微处理器接口部分的电路组成对于不同型号的 CAN 总线通信控制器, 实现 CAN 协议部分电路的结构和功能大多相同, 而与微处理器接口部分的结构和方式存在一些差异这里主要以 SJA1000 为代表对 CAN 控制器的功能作一个简单介绍 SJA1000 是一种独立 CAN 控制器, 它是 PHILIPS 公司的 PCA82C200 CAN 控制器的替代产品 SJA1000 具有 BasicCAN 和 PeliCAN 两种工作方式,PeliCAN 工作方式支持具有很多新特性的 CAN 2.0B 协议 SJA1000 在软件和引脚上都是与它的前一款 PCA82C200 独立 CAN 控制器兼容的 (SJA1000 引脚功能如表 1 所示 ), 在此基础上增加了很多新的功能为了实现软件兼容,SJA1000 采用了两种工作方式 :BasicCAN 方式 (PCA82C200 兼容方式 ) PeliCAN 方式 ( 扩展特性方式 ) 工作方式通过时钟分频寄存器中的 CAN 方式位来选择上电复位默认工作方式是 BasicCAN 方式 BasicCAN 和 PeliCAN 方式的区别如下 : 在 PeliCAN 方式下,SJA1000 有一个重新设计的含很多新功能的寄存器组 SJA1000 包含 PCA82C200 中的所有位, 同时增加了一些新的功能位 PeliCAN 方式支持 CAN2.0B 协议规定的所有功能 (29 位的标识符 ) SJA1000 的主要新功能如下 : 标准结构和扩展结构报文的接收和发送

3 64 字节的接收 FIFO 标准和扩展帧格式都具有单 / 双接收滤波器含接收屏蔽和接收码寄存器可进行读 / 写访问的错误计数器可编程的错误报警限制最近一次的错误代码寄存器每一个 CAN 总线错误都可以产生错误中断具有丢失仲裁定位功能的丢失仲裁中断单发方式当发生错误或丢失仲裁时不重发只听方式监听 CAN 总线无应答无错误标志支持热插拔无干扰软件驱动位速率检测硬件禁止 CLKOUT 输出表 1: SJA1000 引脚功能

4 CAN 总线系统智能节点硬件电路设计本文中所设计的 CAN 总线系统智能节点, 采用 89C51 作为节点的微处理器, 在 CAN 总线通信接口中, 采用 PHILIPS 公司的 SJA1000 和 82C250 芯片 SJA1000 是独立 CAN 通信控制器,82C250 为高性能 CAN 总线收发器如图 1 所示为 CAN 总线系统智能节点硬件电路原理图从图中 1 可以看出, 电路主要由四部分所构成 : 微控制器 89C51 独立 CAN 通信控制器 SJA1000 CAN 总线收发器 82C250 和高速光电耦合器 6N137 微处理器 89C51 负责 SJA1000 的初始化, 通过控制 SJA1000 实现数据的接收和发送等通信任务 SJA1000 的 AD0~ AD7 连接到 89C51 的 P0 口连接到 89C51 的 P2.0,P2.0 为 0 的 CPU 片外存贮器地址可选中 SJA1000 CPU 通过这些地址可对 SJA1000 执行相应的读写操作 SJA1000 的 ALE 分别与 89C51 的对应引脚相连, 接 89C51 的, 89C51 也可通过中断方式访问 SJA1000 为了增强 CAN 总线节点的抗干扰能力 SJA1000 的 TX0 和 RXO 并不是直接与 82C250 的 TXD 和 RXD 相连, 而是通过高速光耦 6N137 后与 82C250 相连, 这样就很好的实现了总线上各 CAN 节点间的电气隔离不过, 应该特别说明的一点是光耦部分电路所采用的两个电源 VCC 和 VDD 必须完全隔离, 否则采用光耦也就失去了意义电源的完全隔离可采用小功率电源隔离模块或带多 5V 隔离输出的开关电源模块实现这些部分虽然增加了节点的复杂, 但是却提高了节点的稳定性和安全性 82C250 与 CAN 总线的接口部分也采用了一定的安全和抗干扰措施 82C250 的 CANH 和 CANL 引脚各自通过一个 5Ω 的电阻与 CAN 总线相连, 电阻可起到一定

5 的限流作用, 保护 82C250 免受过流的冲击 CANH 和 CANL 与地之间并联了两个 30P 的小电容, 可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力另外在两根 CAN 总线接入端与地之间分别反接了一个保护二极管, 当 CAN 总线有较高的负电压时, 通过二极管的短路可起到一定的过压保护作用 82C250 的 Rs 脚上接有一个斜率电阻, 电阻大小可根据总线通讯速度适当调整, 一般在 16k ~140k 之间图 1 :CAN 总线系统智能节点硬件电路原理图 CAN 总线系统智能节点软件设计 CAN 总线节点的软件设计主要包括三大部分 :CAN 节点初始化报文发送和报文接收熟悉这三部分程序的设计, 就能编写出利用 CAN 总线进行通信的一般应用程序当然要将 CAN 总线应用于通信任务比较复杂的系统中, 还需详细了解有关 CAN 总线错误处理总线脱离处理接收滤波处理波特率参数设置和自动检测, 以及 CAN 总线通信距离和节点数的计算等方面的内容下面仅就前面提到的三部分程序的设计作一个描述, 以供大家在实际应用中参考 1 初始化子程序 SJA1000 的初始化只有在复位模式下才可以进行, 初始化主要包括工作方式的设

6 置接收滤波方式的设置接收屏蔽寄存器 (AMR) 和接收代码寄存器 (ACR) 的设波特率参数设置和中断允许寄存器 IER 的设置等在完成 SJA1000 的初始化设置以后,SJA1000 就可以回到工作状态进行正常的通信任务下面提供了 SJA1000 初始化的 51 汇编源程序, 程序中寄存器符号表示的是 SJA1000 相应寄存器占用的片外存贮器地址, 这些符号可在程序的头部用伪指令 EQU 进行定义, 后文对这一点不再作特别说明 CANINI: MOV DPTR,#MOD ; 方式寄存器 MOV A, #09H ; 进入复位模式对 SJA1000 进行初始化. MOV DPTR,#CDR MOV A,#88H ; 时钟分频寄存器 ; 选择 PeliCAN 模式关闭时钟输出 CLKOUT A MOV DPTR,#IER ; 中断允许寄存器 MOV A,#0DH ; 开放发送中断超载中断和错误警告中断 A MOV DPTR,#AMR ; 接收屏蔽寄存器 MOV R6,#4 MOV R0, #DAMR ; 接收屏蔽寄存器内容在片内 RAM 中的首址 AMR: MOV A DJNZ R6, AMR ; 接收屏蔽寄存器赋初值 MOV DPTR,#ACR ; 接收代码寄存器 MOV R6,#4 MOV R0,#DACR ; 接收代码寄存器内容在片内 RAM 中的首址

7 ACR :MOV A DJNZ R6, ACR ; 接收代码寄存器赋初值 MOV DPTR,#BTR0 ; 总线定时寄存器 0 MOV A, #03H A MOV DPTR #BTR1 ; 总线定时寄存器 1 MOV A #0FFH MOV DPTR #OCR MOV A #0AAH MOV DPTR #RBSA ;16MHz 晶振情况下设置波特率为 80kbps. ; 输出控制寄存器 ; 接收缓存器起始地址寄存器 MOV A #0 ; 设置接收缓存器 FIFO 起始地址为 0 MOV DPTR #TXERR ; 发送错误计数寄存器. MOV A #0 MOV DPTR #ECC MOV DPTR #MODE MOV A,#08H ; ; 清除发送错误计数寄存器 ; 错误代码捕捉寄存器 ; 清除错误代码捕捉寄存器 ; 方式寄存器 ; 设置单滤波接收方式并返回工作状态 RET 2 发送子程序发送子程序负责节点报文的发送发送时用户只需将待发送的数据按特定格式组

8 合成一帧报文, 送入 SJA1000 发送缓存区中, 然后启动 SJA1000 发送即可当然在往 SJA1000 发送缓存区送报文之前, 必须先作一些判断 ( 如下文程序所示 ) 发送程序分发送远程帧和数据帧两种, 远程帧无数据场下面以发送数据帧为例对发送子程序作一个说明 TDATA: MOV DPTR #SR JB ACC.4 TDATA ; 状态寄存器 ; 从 SJA1000 读入状态寄存器值 ; 判断是否正在接收正在接收则等待 TS0 : JNB ACC.3 TS0 ; 判断上次发送是否完成未完成则等待发送完成 TS1 : JNB ACC.2 TS1 TS2 :MOV DPTR #CANTXB MOV A #88H MOV A #ID0 MOV A #ID1 MOV A #ID2 MOV A,#ID3 MOV R0 #TRDATA ; 判断发送缓冲区是否锁定锁定则等待 ;SJA1000 发送缓存区首址 ; 发送数据长度为 8 个字节的扩展帧格式报文 ;4 个字节的标识符 ID0-ID3 依据实际情况赋值 ;CPU 发送数据区首址数据内容由用户定义

9 MTBF :MOV INC R0 CJNE R0 #TRDATA+8 MTBF MOV DPTR #CMR MOV A #01H RET ; 向发送缓冲区写 8 个字节 ; 命令寄存器地址 ; 启动 SJA1000 发送 3 查询方式接收子程序接收子程序负责节点报文的接收以及其他情况处理接收子程序比发送子程序要复杂一些, 因为在处理接收报文的过程中, 同时要对诸如总线脱离错误报警接收溢出等情况进行处理 SJA1000 报文的接收主要有两种方式 : 中断接收方式和查询接收方式如果对通信的实时性要求不是很强, 建议采用查询接收方式两种接收方式编程的思路基本相同下面仅以查询方式接收报文为例对接收子程序作一个说明 SEARCH: MOV DPTR #SR ANL A #0C3H JNZ PROC RET ; 状态寄存器地址 ; 读取总线脱离错误状态接收溢出有数据等位 ; 无上述状态结束 PROC :JNB ACC.7 PROCI BUSERR: MOV DPTR #IR ;IR 中断寄存器出现总线脱离

10 ; 读中断寄存器清除中断位. MOV DPTR #MODE ; 方式寄存器地址 MOV A #08H ; 将方式寄存器复位请求位清 0 LCALL ALARM. RET NOP PROCI: MOV DPTR #IR ; 调用报警子程序 ; 总线正常 ; 读取中断位 JNB ACC.3 OTHER OVER: MOV DPTR #CMR ; 数据溢出中断置位. MOV A #0CH ; 在命令寄存器中清除数据溢出和释放接收缓冲区 RET NOP OTHER: JB ACC.0 RECE ;IR.0=1, 接收 FIFO 未满或接收中断使能 LJMP RECOUT NOP RECE :MOV DPTR #CANRXB JNB ACC.6 RDATA MOV DPTR #CMR MOV A #04H LCALL TDATA LJMP RECOUT NOP RDATA: ;IR.0=0, 接收缓冲区无数据退出接收 ; 接收缓冲区首地址 16 准备读取数据 ; 首字节是接收帧格式字 ;RTR=1 是远程请求帧无数据 ;CMR.2=1 释放接收缓冲区 ; 只有接收了数据才能释放接收缓冲区 ; 发送对方请求的数据 ; 退出接收

11 MOV DPTR #CANRXB MOV R1 #CPURBF A ; 读取并保存接收缓冲区的数据 ;CPU 片内接收缓冲区首址 ; 读取读取 CAN 缓冲区的 2 号字节 ; 保存 ANL A #0FH ; 截取低 4 位是数据长度 0~8 ADD A #4 MOV R6 A RDATA: INC R1 A DJNZ R6 RDATA0 MOV DPTR #CMR MOV A #04H RECOUT :MOV DPTR #ALC MOV DPTR #ECC NOP RET ; 加 4 个字节的标识符 ID ; 循环读取与保存 ; 释放 CAN 接收缓冲区 ; 释放仲裁丢失捕捉寄存器和错误捕捉寄存器本文小结上述介绍的是 SJA1000 工作在 PeliCAN 模式下的三种最基本的操作子程序由于篇幅的关系, 这里没有列出和解释 SJA1000 内部寄存器的地址和位定义有关接收屏蔽寄存器 (AMR) 和接收编码寄存器 (ACR) 的使用在以往的文章中已有介绍至于其他一些寄存器或位功能的使用, 没有在上述例程中体现出来, 需要视实际情况而定

12 参考文献 1 PHILIPS SJA1000 stand-alone CAN controller product specification 2000 Jan 04 2 邬宽明 CAN 总线原理和应用系统设计北京航空航天大学出版社 1996

1 CAN 69 4 接受滤波 CAN CRC LLC 超载通知数恢复管理 CAN 据数据封装 / 拆装 5 链帧编码 ( 填充 / 解除 ) 媒体访问管理路 CAN 应答 SAE J CAN 1 1 CAN 层 1CAN CAN 7 CAN 1 2 2CAN CAN 1 58%

1 CAN 69 4 接受滤波 CAN CRC LLC 超载通知数恢复管理 CAN 据数据封装 / 拆装 5 链帧编码 ( 填充 / 解除 ) 媒体访问管理路 CAN 应答 SAE J CAN 1 1 CAN 层 1CAN CAN 7 CAN 1 2 2CAN CAN 1 58% 17 1 2012 2 Vol 17 No 1 JOURNAL OF HARBIN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Feb 2012 CAN 150080 CAN CAN CAN SAE J1939 CAN CAN CAN CAN SAE J1939 TP23 A 1007-2683201201- 0068-06 A Design Method of CAN