CAN控制器SJA1000及其應用

摘要：介紹CAN控制器SJA1000的特點(diǎn)、內部結構以及SJA1000的寄存器結構及地址分配；CAN協(xié)議通信格式。并以獨立CAN控制器SJA1000為例，結合CAN協(xié)議說(shuō)明了一種通用型CAN總線(xiàn)的開(kāi)發(fā)與設計。

關(guān)鍵詞：CAN總線(xiàn)索SJA1000單片機

1 SJA1000簡(jiǎn)介

SJA1000是PHILIPS公司早期CAN控制器PCA82C200的替代品，功能更強，具有如下特點(diǎn)：

①完全兼容PCA82C200及其工作模式，即BASIC CAN模式；

②具有擴展的接收緩沖器，64字節的FIFO結構；

③支持CAN2.0B；

④支持11位和29位識別碼；

⑤位速率可達1Mbit/s；

⑥支持peliCAN模式及其擴展功能；

⑦24MHz的時(shí)鐘頻率；

⑧支持與不同微處理器的接口；

⑨可編程的CAN輸出驅動(dòng)配置；

⑩增強了溫度范圍(-40℃~+125℃)。

2 SJA1000內部結構

SJA1000的內部結構如圖1所示，主要由接口管理邏輯IML、信息緩沖器(含發(fā)送緩沖器TXB和接收緩沖器RXFIFO)、位流處理器BSP、接收過(guò)濾器ASP、位時(shí)序處理邏輯BTL、錯誤管理邏輯EML、內部振蕩器及復位電路等構成。IML接收來(lái)自CPU的命令，控制CAN寄存器的尋址并向主控器提供中斷信息及狀態(tài)信息。CPU的控制經(jīng)IML把要發(fā)送的數據寫(xiě)入TXB，TXB中的數據由BSP處理后經(jīng)BTL輸出到CAN BUS。BTL始終監視CAN BUS，當檢測到有效的信息頭隱性電平－控制電平的轉換時(shí)啟動(dòng)接收過(guò)程，接收的信息首先要由位流處理器BSP處理，并由ASP過(guò)濾，只有當接收的信息的識別碼與ASP檢驗相符時(shí)，接收信息才最終被寫(xiě)入RXB或RXFIFO中。RXFIFO最多可以緩存64字節的數據，該數據可被CPU讀取。EML負責傳送層中調制器的錯誤管制，它接收BSP的出錯報告，促使BSP和IML進(jìn)行錯誤統計。

3 SJA1000的寄存器結構及地址分配

表1是工作在BASIC CAN模式下的SJA1000的寄存器結構及地址分配表。CAN控制器工作模式的設定、數據的發(fā)送和接收等都是通過(guò)這些寄存器來(lái)實(shí)現的。時(shí)鐘分頻寄存器OCR用于設定SJA1000工作于BASIC CAN還是PeliCAN，還用于CLKOUT引腳輸出時(shí)鐘頻率的設定，在上電初始化控制器時(shí)必須首先設定；在工作模式下，控制寄存器CR用于控制CAN控制器的行為，可讀可寫(xiě)；命令寄存器CMR只能寫(xiě)；狀態(tài)寄存器SR只能讀；而IR、ACR、AMR、BTR0、BTR1、OCR在工作模式下讀寫(xiě)無(wú)意義。通常，在系統初始化時(shí)，先使CR．0=1，SJA1000進(jìn)入復位模式。在此模式下IR、ACR、AMR、BTR0、BTR1及OCR均可讀可寫(xiě)，此時(shí)設置相應的初值。當退出復位模式時(shí)，SJA1000即按復位時(shí)設定的相應情況工作于工作模式，除非再次使芯片復位，否則上次設定的值不變。當需要發(fā)送信息時(shí)，若發(fā)送緩沖器空閑，由CPU控制信息寫(xiě)入TXB，再由CMR控制發(fā)送；當接收緩沖器RXFIFO未滿(mǎn)且接收信息通過(guò)了ASP，則接收到的信息被寫(xiě)入RXFIFO?？赏ㄟ^(guò)兩種方法讀取接收到的信息。一種方法是，在中斷被使能的情況下，由SJA1000向CPU發(fā)中斷信號，CPU通過(guò)SR及IR可以識別該中斷，并讀取數據釋放接收緩沖器；另一種方法是直接讀取SR，查詢(xún)RXFIFO的狀態(tài)，當有信息接收時(shí)，讀取該信息并釋放接收緩沖器。當接收緩沖器中有多條信息時(shí)，當前的信息被讀取后，接收緩沖器有效信號會(huì )再次有效，通過(guò)中斷方式或查詢(xún)方式可以再次讀取信息，直到RXFIFO中的信息被全部讀出為止。當RXFIFO已滿(mǎn)，如還有信息被接收，此接收信息不被保存，且發(fā)出相應的緩沖器溢出信號供CPU讀取處理。

4 CAN協(xié)議通信格式

CAN協(xié)議通信格式中有四種幀格式：數據幀、遠程幀、出錯幀和超載幀。其中數據幀和遠程幀的發(fā)送需要在CPU控制下進(jìn)行，而出錯幀和超載幀的發(fā)送則是在錯誤發(fā)生或超載發(fā)生時(shí)自動(dòng)進(jìn)行的。因此人們更關(guān)心前兩個(gè)幀的結構。數據幀結構如圖2所示。

一個(gè)完整的數據幀格式，除仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數據場(chǎng)外都是CAN控制器發(fā)送數據時(shí)自動(dòng)加上去的，而仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數據場(chǎng)則必須由CPU控制給出。用SJA1000時(shí)，寫(xiě)出發(fā)送緩沖器的TXID0、TXID1即設定了相應的仲裁場(chǎng)和控制場(chǎng)。TXID0即為仲裁場(chǎng)的高8位，TXID1的高3位為仲裁場(chǎng)的低3位，仲裁場(chǎng)共11位。TXID1的第5位為RTR位，即遠程請求位，在數據幀中為0；TXID1低四位標示數據場(chǎng)所含字節數的多少，稱(chēng)為DLC。RTR與DLC共同構成控制場(chǎng)。發(fā)送的數據組成數據場(chǎng)，最多不超過(guò)8個(gè)字節。遠程幀與數據幀的形式差別在于沒(méi)有數據場(chǎng)。除此形式上的差別外，在遠程幀中RTR位須置1，表示請求數據源節點(diǎn)向它的目的節點(diǎn)(即發(fā)送遠程幀的節點(diǎn))發(fā)送數據。源節點(diǎn)接收到該幀后，把要發(fā)送數據用數據幀發(fā)給目的節點(diǎn)，完成數據請求。CRC場(chǎng)與ACK場(chǎng)都是在低層次上為提高傳輸的可靠性而自動(dòng)進(jìn)行的。任何幀與幀之間是幀間空間。

5 設計實(shí)例

5.1 整體設計思路

這里用SJA1000與AT89C51芯片設計一種具有通用性的工業(yè)測控系統，系統的結構圖如圖3所示。

CAN總線(xiàn)是一種多主總線(xiàn)，理論上任何一個(gè)節點(diǎn)都可以作為主節點(diǎn)。在本系統中設置與上位PC機相連的節點(diǎn)1和節點(diǎn)2為上位節點(diǎn)，其它節點(diǎn)為底層節點(diǎn)。在任務(wù)比較簡(jiǎn)單的系統中，也可以只設置一臺上位PC機，PC機通過(guò)串口與節點(diǎn)上的CPU通信，CPU再與CAN控制器SJA1000通信，實(shí)現信息在CAN BUS上的發(fā)送與接收。節點(diǎn)1與節點(diǎn)2的結構相同，而底層節點(diǎn)根據應用的不同具有不同的功能。但它們都具有與CAN BUS通信的能力，上傳數據和接收數據。

5.2 電路原理圖

節點(diǎn)1與節點(diǎn)2的原理圖如圖4所示。AT89C51通過(guò)MAX232與PC機串行通信。設置SJA1000工作于Intel模式，由PC機發(fā)送的數據寫(xiě)入AT89C51，再通過(guò)P0口及控制信號將數據寫(xiě)入SJA1000并通過(guò)CAN收發(fā)器發(fā)送。接收數據是通過(guò)中斷進(jìn)行的，CAN BUS的數據經(jīng)CAN接口芯片82C250接收并寫(xiě)入SJA1000的RXFIFO，然后通過(guò)中斷提請CPU讀取。讀取的數據由RS232口上傳送給PC機。

在本系統中其它節點(diǎn)不與PC機通信，此時(shí)AT89C51除與SJA1000相接的口線(xiàn)外還剩余口線(xiàn)，可以做其它用途。如用于數據的采集，則與A/D轉換芯片相接即可；如與控制相關(guān)，則與控制口相接即可，這樣一來(lái)可以靈活地構成各種系統。

5.3 軟件設計

該系統的軟件設計分為兩方面：(1)PC機軟件設計，可以用VC++、VB，也可以使用工控軟件完成。如只用于監視系統，設計的重點(diǎn)在于PC機與節點(diǎn)之間的通信。(2)節點(diǎn)上CPU的軟件設計。不論是節點(diǎn)1、2或是其它底層節點(diǎn)，都要用到CAN通信，因此都要設置CAN控制器。其初始化的流程圖如圖5所示。

具體的例程如下：
MOV DPTR #CR ；控制寄存器CR的地址送DPTR

MOV A #01H

MOVX @DPTR A ；進(jìn)入復位模式

MOV DPTR #CDR

MOV A #00H

MOVX @DPTR A ；選擇BASIC CAN模式、時(shí)鐘不輸出

MOV A #NODECODE

MOVX @DPTR A ；節點(diǎn)號NODECODE寫(xiě)入ACR

MOVX DPTR #AMR

MOV A #00H

MOV @DPTR A ；AMR置為0，當且僅當RXID0=ACR時(shí)接收數據。

MOV DPTR #BTR0;設定總線(xiàn)時(shí)序寄存器BTR0，系統采用１２ＭＨｚ晶振

MOV A #85H ；分頻后總線(xiàn)時(shí)鐘頻率為2MHz

MOVX @DPTR A ；同步跳轉寬度為3tscl

MOV DPTR #BTR1 ；設定總線(xiàn)時(shí)序寄存器BTR1

MOV A #0B4H ；位同步時(shí)間為1個(gè)tscl 采樣開(kāi)始位置TSEG1=5tscl

MOVX @DPTR A ;TSEG2=4tscl每一位時(shí)間10tscl(200kHz),每位采樣3次

MOV DPTR #OCR ；設置輸出控制寄存器

MOV A #1AH ；數據從TX0按正常輸出模式同極性輸出

MOV @DPTR A ；TX1 不用

MOV DPTR #CR ；初始化完成，使控制器退出復位模式，進(jìn)入工作模式工作。

MOV A #06H

MOV @DPTR A

該初始化程序使SJA1000工作在 BASIC CAN模式下，CAN總線(xiàn)位速率為200kHz。根據總線(xiàn)傳輸的距離不同速度可以調整。為提高其抗干擾性能，還可以在SJA1000與CAN總線(xiàn)收發(fā)器之間加光隔。各節點(diǎn)CPU的其它軟件設計應視節點(diǎn)的功能而定，不再贅述。

該系統用于城市區域交通中心信息采集及處理，已取得很好效果。由于傳輸距離較遠，設定速率為10kHz，但可靠性較強，系統成本低廉。

CAN總線(xiàn)以其優(yōu)良的性能使其應用方興未艾，以SJA1000為控制器構成各種CAN總線(xiàn)系統方便、簡(jiǎn)單、成本低廉，這也是開(kāi)發(fā)與應用其它CAN總線(xiàn)產(chǎn)品的基礎。

參考文獻

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2 DATA SHEET SJA1000 CAN Stand-alone controller．PHILIPS Semiconductors 公司，2000.4

3 王東威，顧宏，洪義平．基于CAN總線(xiàn)的安全巡檢系統的信息采集及處理．電子產(chǎn)品世界， 2002(4)