1 前 言
現(xiàn)場總線是當前工業(yè)總線領域中最活躍的一個領域,， CAN 總線是工業(yè)數(shù)據(jù)總線領域重要的現(xiàn)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(xié)議,。在當今的汽車產(chǎn)業(yè)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(tǒng)被開發(fā)出來,。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對可靠性的要求不盡相同， 由多條總線構(gòu)成的情況很多,， 線束的數(shù)量也隨之增加,。為減少線束的數(shù)量、通過多個LAN進行大量數(shù)據(jù)的高速通信,， 1986年德國電氣商博世公司開發(fā)出面向汽車的CAN 通信協(xié)議,。而今CAN 在歐洲已是汽車網(wǎng)絡的標準協(xié)議。CAN 的初衷是為了解決汽車里多種復雜數(shù)據(jù)的通信,， 后來證實在很多工業(yè)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(wǎng)絡的不同之處在于: 報文傳送中不包括目標地址， 以全網(wǎng)廣播為基礎,， 各接收站根據(jù)報文中反映數(shù)據(jù)性質(zhì)的標識符過濾報文;強化了對數(shù)據(jù)安全性的關(guān)注,， 滿足控制系統(tǒng)較高的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸速率、遠距離傳輸,、可靠的錯誤處理和檢錯機制,、可根據(jù)報文的ID決定接收或屏蔽該報文， 節(jié)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(xié)議可由CAN 控制器芯片和接口芯片實現(xiàn),， 大大降低了系統(tǒng)的開發(fā)難度、組成成本,、縮短了開發(fā)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(fā)器芯片TJA1050,。
由于近幾年來CAN 總線技術(shù)逐步在我國推廣開來， CAN 總線技術(shù)的獨特特點 傳輸數(shù)據(jù)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(nèi)推動CAN 總線技術(shù)進步的應用事例不斷擴展,， 積極促進了我國自動化技術(shù)的進步,。由于CAN 總線本身的特點， 其應用范圍己經(jīng)擴展到過程工業(yè),、機械工業(yè),、數(shù)控機床,、醫(yī)療機械、家用電器及傳感器等領域,， 而在電梯控制系統(tǒng)中,， 主板需要接收不同樓層呼梯、轎廂里呼梯,、調(diào)整電梯運行參數(shù)等多路信號， 因此CAN 總線的優(yōu)勢明顯,。如圖1所示,。
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圖1 CAN總線應用拓撲結(jié)構(gòu)
3 集成CAN 控制器的ARM 微處理器
CAN 總線基于一組嚴格的協(xié)議， 一般來說在主CPU 外接一個專用CAN 控制器以實現(xiàn),。由于近年來微處理器的迅速發(fā)展,， 出現(xiàn)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(chǎn)的ARM結(jié)構(gòu)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(jié)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(yè)控制， 因此,，LPC2294也可作為電梯控制系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng),， 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(tǒng)對主系統(tǒng)進行操作,， 而數(shù)據(jù)的交換方式就是采用CAN 總線傳輸， 此文中稱這個操作系統(tǒng)為副系統(tǒng),。副系統(tǒng)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(jié)構(gòu)的低功耗CMOS 8位單片機,。通過執(zhí)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(tǒng)設計人員將功率損耗與處理速度優(yōu)化,。AVR內(nèi)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(zhí)行單個指令的方式訪問,。其結(jié)果就是， 采用這種結(jié)構(gòu)的速度比常規(guī)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(tǒng)提供了便利,。控制結(jié)構(gòu)如圖2所示,。
圖2 at90can128的CAN控制結(jié)構(gòu),。
對于復雜的CAN 通信協(xié)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(fā)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(fā)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(jù)自身要求， 通過對相關(guān)寄存器進行配置達到自己的要求,。
而在發(fā)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(shù)據(jù)長度代碼,， RBnTAG 是保留字段( n = 0， 1) ,， MSG 是指向相應MOB的CAN 數(shù)據(jù),。當MOB 的發(fā)送指令執(zhí)行后， MOB 就會準備發(fā)送一個數(shù)據(jù)或者是一個遠程幀,。接著,， CAN 通道就會掃描各個MOB， 尋找到優(yōu)先級最高的MOB,， 將其發(fā)送出去,。當傳送成功后，MOB 狀態(tài)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(shù)據(jù)傳輸都必須重新對相關(guān)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(fā)送,、接收功能模塊的關(guān)鍵代碼及注解(見圖3)。
圖3 電梯系統(tǒng)主板與調(diào)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(fā)送MOB, 并設定標識碼
CAN IDT1= 0X00;
……
}
發(fā)送模塊代碼:
CANPAGE = ( 1< < 4); / /選定MOB1
If( ( CANGSTA& 0X10) = = 0) / /查詢CAN 狀態(tài)寄存器的TXBSY 位, 為0, 則可以發(fā)送
for( i= 0; i< 8; i+ + )
{
CANMSG= my _dada[ i] ; / /將要發(fā)送的數(shù)據(jù)裝入數(shù)據(jù)寄存器中, 共8 by te
CANCDMOB | = 0X48; / /發(fā)送
}
接收模塊代碼是類似的,， 設計思路都是在判斷發(fā)送允許標志之后， 如果允許,， 就將數(shù)據(jù)裝入到指定的MOB中,， 而每個MOB 一個發(fā)送周期一共可以發(fā)送8byte的數(shù)據(jù)。而CAN 總線的另一端是NXP公司LPC2294的CAN總線外圍,， 其結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)幀的標識符編號是什么,， 傳輸速率相同， 就可以進行數(shù)據(jù)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(fā)器TJA1050硬件連接圖
圖中CAN 收發(fā)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(guān)S可以作為CAN 總線的硬件啟用開關(guān)。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(fā)器的硬件原理圖,。
6 結(jié)束語
基于at90can128的CAN 總線模塊設計的電梯系統(tǒng)調(diào)試器,， 經(jīng)過長時間的檢驗， 使用良好,， 通信正常無誤,。在眾多的現(xiàn)場總線當中， CAN 總線憑借其優(yōu)秀的特性已經(jīng)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,。