基于ARM的CAN总线智能节点的设计

摘要：CAN总线是一种应用广泛的实时性现场总线，提出了基于具有ARM7TDMI内核的32位微控制器的CAN总线智能节点设计方案。详细介绍了ARM控制(LPC2294)的特点、智能节点的结构以及系统软件设计，同时结合现场实际使用给出了硬件抗干扰措施。 关键词：CAN总线 ARM 嵌入式控制器 CAN(Controller Area Network)即控制器局域网，CAN总线是国际上应用最广泛的现场总线之一。它最早是由德国Bosch公司推出的，CAN通信协议是一种用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。 作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通讯控制方式，CAN总线已被广泛应用于各个自动化控制系统中。例如，在汽车电子、自动控制、智能大厦、电子系统、安防监控等各领域中，CAN总线具有不可比拟的优越性。本设计给出CAN总线节点方案。它采用内置多路CAN总线控制器PLC2294作为主控制器，使得该节点体积小、功耗低、抗干扰性好，因而特别适用于汽车、工业控制以及医疗系统和容错维护总线中。 1 硬件设计 1.1 LPC2294的特点 ARM7系列具有ARM7TDMI内核的32位嵌入式微处理器是目前应用很广的嵌入式RISC处理器。该系列芯片体积小、功耗低、成本低，高性能与灵活性相结合，有较多的寄存器，提供了扩充的增强的固定长的16/32位双指令集。用16位的Thumb指令可以节省高达35%的空间。另外它还实行注水线作业，提供嵌入式ICE2RT逻辑，支持片上断点和调试点支持，具有先进的软件开发和调试环境。 图1 本设计选用的LPC2294是PHILIPS公司新推出的一款功能强大的超低功耗的具有ARM7TDMI内核的32位微控制器。144脚封装、两个32位定时器、八路10位ADC、四路CAN通道和PWM通道以及多达九个的外部中断，内部嵌入256K字节高速Flash存储器和16K字节静态RAM，包含76(使用了外部存储器)"112(单片)个GPIO口。如此丰富的片上资源完全可以满足一般的工业控制的需要，同时还可以减少系统硬件设计的复杂度。另外，LPC2294支持JTAG实时仿真和跟踪、128位宽度的存储器接口和独特的加速结构，使32位代码能够在高达60MHz的操作频率下运行。 LPC2294内部集成有四路CAN控制器：符合CAN规范CAN2.0B,ISO 11989-1标准：总线数据波特度均可达1Mbps;可访问32位的寄存器和RAM;全局验收过滤器可识别几乎所有总线的11位和29位Rx标识符;验收过滤器为选择的标准标识符提供了FullCAN-style自动接收功能。 作为本设计的核心部件，LPC2294不仅担起主控制器的作用，同时还作为CAN网络的节点控制器，与网络中的其它节点实现数据传输与交换。 1.2 CAN节点硬件电路组成 CAN节点硬件电路如图1所示，由ARM微控制器LPC2294、CAN总线收发器TJA1050T、高速光耦6N137和电源隔离模块B0505S等组成。 主控芯片LPC2294的晶振频率范围为1～30MHz。本设计选晶振频率为20MHz，通过设置内部的VPB分频器可以提高CPU时钟频率。内部 256K字节的高速Flash存储器用于代码和数据的存储。对于FLASH存储器，可通过内置的串行JTAG接口进行在系统编程(ISP)，或进行在应用编程(IAP)。为了便于调试和系统升级，在设计中可以预留这些接口电路。 LPC2294采用双电源供电。CPU的供电电压范围为1.65～1.95V(1.8V%26;#177;8.3%),I/O的供电电压范围为 3.0～3.6V(3.3V%26;#177;10%)。 收发器TJA1050T是CAN协议控制器和物理总线之间的接口，它与“ISO 11898”标准完全兼容。CANH和CANL理想配合，可使电磁辐射减到更低。除此之外，TJA1050T不上电时，总线呈现无源特性，这使得 TJA1050T在性能上大大优于以前的CAN总线收发器。TJA1050T有两种工作模式：高速模式和静音模式(它们由引脚“S”来控制)。在高速模式中，总线输出信号有固定的斜率，并且以尽量快的速度切换。高速模式适用于最大位速度和最大总线长度的情况，而且此时其收发器循环延迟最小。静音模式时发送器是禁能的。它不管TxD的输入信号。静音模式可以防止CAN控制器不受控制时对网络通讯造成堵塞。

1.3 硬件的抗干扰设计 在本设计所应用的场合中，产生电磁信号的设备较多，包括超短波设备、音频设备、电源等，因此抗干扰设备显示尤其重要。主要采取了以下措施： (1) 为了进一步提高CAN总线节点的抗干扰能力，保证各节点之间在电气上是完全隔离和独立的，LPC2294的TX0和RX0分别通过高速光耦6N137与TJA1050T的TXD的RXD相连。不过，应该特别说明的是，光耦部分电路所采用的两个电源必须完全隔离，否则采用光耦也就失去了意义。电源的完全隔离采用小功率电源隔离模块B0505S。电路虽复杂一些，但是却提高了节点的稳定性和安全性。 (2) 在CAN总线的两端加有两个120Ω的电阻，这两个电阻对于总线阻抗的匹配起着相当重要的作用。去掉它们会使数据通信的抗干扰性及可靠性大大降低，甚至无法通信。 (3) CANH和CANL与地之间并联了两个30pF的小电容，可以滤除总线上的高频干扰并且具有一定的防电磁辐射的能力;在两根CAN总线接入端之间并入了 5.6V的TVS管，当CAN总线窜入电压干扰时可通过TVS管的短路起到一定的过压保护作用。 (4) 为了减小现场对节点的干扰，有用屏蔽双绞线，且根据实际使用经验，屏蔽电缆的屏蔽层无需接地。 2 软件设计 软件调试环境采用ARM公司的ARM核处理器集成开发工具ADSv1.2。ADSv1.2集成了汇编、C、C++编译器和调试器，编译效率高，提供了功能强大的系统库，支持软件调式、JTAG仿真调试及硬件调试。本设计采用的是JTAG仿真调试。 对于一般的32位ARM应用系统，在运行主程序前必须初始化运行环境，即为ARM芯片编写启动代码。该启动代码包括异常向量表、堆栈初始化、存储系统初始化和目标板初始化等，一般用汇编语言编写。对于该设计来说，关键的是编写CAN驱动程序。主程序只需通过调用驱动程序提供的接口来实现数据的接收和发送，驱动程序包括四部分内容：CAN控制器的初始化、接收数据、发送数据和总线异常处理。图2为主程序流程图。 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、软件复位、设备报警界限、设备总线波特率、设备中断工作方式、设备验收滤波器工作方式、设备工作模式并启动 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); //软件复位寄存器 CANEWL(CanNum).Bits.EWL_BIT=USE_EWL_LAN[CanNum]; //设置错误警告界限 CANBTR(CanNum).Word=USE_BTR_CAN[CanNum]; //初始化波特率 VICDefVectAddr=(UINT32)CANIntPrg; //初始化中断为非向量中断 VICIntEnable 1=(1<<19)|(1<<(20+CanNum))|(1<<26+CanNum)); CANIER(CanNum).Word=USE_INT_CAL[CanNum]; CANAFMR.Bits.Accbp_bit=1; //配置验收滤波器(旁路状态，即屏蔽验收滤波器) 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); //启动CAN LPC2294片内外设与引脚的连接由引脚连接模块控制。CAN控制器的硬件使能就是通过软件设备GPIO寄存器来控制多路开关的，将特定的引脚与CAN 控制器连接起来。在设备各CAN寄存器之前必须进行软件复位，这是因为CAN的某些寄存器必须在软复位状态下读写。 值得注意的是，LPC2294为所有的CAN控制器提供了全局接收标识符查询功能。2KRAM可容纳1024个标准标识符或者512个扩展标识符或两种类型混合的标识符。通过软件处理，可在该RAM中设置存放1～5个标识符表格。与独立CAN控制器SJA1000相比，它能更容易地任意复杂的ID进行筛选过滤，满足复杂的ID的接收过滤要求。这无疑大大减少了系统软件设计复杂度及运行时的负担。设置验收滤波器工作方式，必须首选创建LUT表格，指定每个表格的起始地址，并用实际的ID地址初始化该表格。最后设定验收过滤器模式寄存器。若该节点不主动发送数据，可选择在总线不活动时进入睡眠模式。 2.2 数据发送 将待发送的数据打包成符合CAN协议的帧格式后，便可写入发送缓站区，并自动发送。图3为发送子程序流程图。 在写发送缓冲区前必须查询其状态。LPC2294中的每个CAN控制器有三个发送缓冲区，它们的状态可通过查询CANSR得知。只有当其中有空间的发送缓冲区即才将数据写入。在发送大量数据时，这一步显得尤其重要，否则发送可靠性将不能保证。启动发送成功后，只能通过查询CANGSR的TCS位或配置发送成功中断来判断数据是否发送成功。

2.3 数据接收 接收数据可采用查询方式或中断方式。在某一段时间内，CAN总线并不是总是在活动，为了提高效率，可采用中断方式。在初始化程序中必须使能接收中断。在中断服务子程序中，读取CANICR，判断是否有接收中断标志，有则读取接收缓冲区数据。为了防止接收缓冲区数据溢出，可开辟一个循环接收数据队列来暂时存储数据，主程序则通过查询该队列来获得总线数据。 2.4 异常情况处理 在线总线发生严重故障的情况下，CAN节点有可能脱离总线，此时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将许多CAN控制器功能复位和禁止。软件下一步必须置零RM位。发送错误计数器将递减计数总线释放条件(11个连续的隐性位)的第128个事情。软件可通过读取Tx错误计数器对计数器递减计数的情况进行监测。 在应用中，若前面传输到CAN控制器的数据未被读出，而接收缓冲区又没有及时释放，就有可能引起后面信息的丢失。这时必须通过写命令寄存器来清除 CANSR的数据溢出位。这两种异常可通过异常中断来处理，只要在中断子程序中加入处理代码即可。其它的总线异常处理可根据使用情况决定是否在软件中处理。 总之，软件的编写和规划相当重要。ARM7TDMI指令集是基于RISC的，具有32位ARM/16位Thumb双指SR相互调用。因此，为了提高程序代码密度，某些对性能要求不高的代码可用Thumb指令集编写。 由于该方案体积小、功耗低、抗干扰性好，现已应用于电磁环境复杂的某车载通信设备中，满足了该项目对CAN网络点节的要求。