基于CAN總線(xiàn)的單片機與數字信號處理器通信系統設計
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0 引 言
眾所周知，雖然目前8位單片機正逐漸被速度高，性能強的16位或32位微處理器所取代，但8位單片機仍以其低廉的價(jià)格、豐富的外圍芯片以及眾多的多功能產(chǎn)品而在低端應用市場(chǎng)占據主流地位。數字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)作為一種具有高速數字信號處理能力的新型單片機，在通信、自動(dòng)控制、航天航空、軍事、醫療等領(lǐng)域廣泛應用。在比較復雜的測控系統中，如微機電動(dòng)機保護裝置，要求在毫秒級的短時(shí)間內對電動(dòng)機實(shí)現實(shí)時(shí)保護和測量，所以對裝置硬件系統的實(shí)時(shí)數據處理能力要求較高，而傳統的基于單 CPU微處理器的方案己經(jīng)難以勝任。因此，這里采用數字信號處理器與單片機構成的雙CPU結構。由數字信號處理器完成多通道A／D轉換、各種判據算法的運算等功能，而單片機作為整個(gè)裝置的控制單元，主要負責實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制、參數管理、人機接口及串并行通信接口的控制等。這種雙CPU結構充分發(fā)揮數字信號處理器與單片機各自的功能特點(diǎn)。其中，雙CPU系統之間的數據通信可采用雙口RAM、串行通信等方式，但這兩種方式存在只能實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)通信，通信速度慢，可靠性差等缺點(diǎn)，不利于系統擴展。因而研究通信速度快，可靠性高，實(shí)時(shí)性強的CAN總線(xiàn)通信系統具有重要意義。
1 CAN總線(xiàn)介紹
控制器局域網(wǎng)絡(luò )(Controller Area Network，CAN)是一種串行多主站控制器局域網(wǎng)總線(xiàn)。它具有很高的網(wǎng)絡(luò )安全性、通信可靠性和實(shí)時(shí)性，而且簡(jiǎn)單實(shí)用，網(wǎng)絡(luò )成本低，特別適用于環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境。CAN總線(xiàn)可有效支持分布式控制或實(shí)時(shí)控制。該總線(xiàn)的通信介質(zhì)可以是雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光纖。其主要特點(diǎn)如下：
(1)CAN總線(xiàn)為多主站總線(xiàn)，各節點(diǎn)可在任意時(shí)刻向網(wǎng)絡(luò )上的其他節點(diǎn)發(fā)送信息，且不分主從；
(2)CAN總線(xiàn)采用獨特的非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù)，高優(yōu)先級節點(diǎn)優(yōu)先傳送數據，故實(shí)時(shí)性好；
(3)CAN總線(xiàn)具有點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播傳送數據的功能；
(4)CAN總線(xiàn)采用短幀結構，每幀有效字節數最多為8個(gè)，數據傳輸時(shí)間短，并有CRC及其他校驗措施，數據出錯率極低；
(5)CAN總線(xiàn)上某一節點(diǎn)出現嚴重錯誤時(shí)，可自動(dòng)脫離總線(xiàn)，而總線(xiàn)上的其他操作不受影響；
(6)CAN總線(xiàn)系統擴充時(shí)，可直接將新節點(diǎn)掛在總線(xiàn)上，因而走線(xiàn)少，系統擴充容易，改型靈活；
(7)CAN總線(xiàn)的最大傳輸速率可達1 Mb／s，直接通信距離最遠可達10 km(速率在5 Kb／s以下)；
(8)CAN總線(xiàn)上的節點(diǎn)數取決于總線(xiàn)驅動(dòng)電路，在標準幀(11位報文標識符)時(shí)，可達到110個(gè)，而在擴展幀(29位報文標識符)時(shí)，個(gè)數不受限。
2 單片機與數字信號處理器CAN通信系統接口電路設計
單片機與數字信號處理器種類(lèi)較多，在研究其通信系統時(shí)，以廣泛使用的MCS-51單片機以及適于運動(dòng)控制的美國德州儀器(TI)公司TMS320LF2407為例進(jìn)行研究。
2．1 單片機通信系統接口電路設計
MCS-51單片機組成CAN通信系統需要擴展CAN控制器，本系統采用的CAN控制器是SJA1000。SJA1000是PHILIPS公司生產(chǎn)的既支持CAN 2．0B，又支持CAN 2．0A的CAN控制器。與SJA1000配套使用的CAN總線(xiàn)驅動(dòng)器是PCA82C250，它是PHILIPS推出的CAN控制器和物理總線(xiàn)接口芯片，可提供對總線(xiàn)的差分發(fā)送和接收。CAN模塊總線(xiàn)控制器、總線(xiàn)驅動(dòng)器連接基本方法如圖1所示。為增強CAN總線(xiàn)節點(diǎn)的抗干擾能力，SJA1000通過(guò)高速光耦6N137后與PCA82C250相連，這樣就能很好地實(shí)現本系統與CAN總線(xiàn)的電氣隔離。電源的隔離采用小功率電源隔離模塊。這些部分雖然增加了接口電路的復雜性，但是卻提高了系統的穩定性和安全性。
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TMS320LF2407內部集成一個(gè)完全的CAN控制器，但CAN控制器必須通過(guò)CAN驅動(dòng)芯片才能與其他CAN控制器進(jìn)行通信，這里采用 PCA82C250。因為T(mén)MS320LF2407用3．3 V供電，而PCA82C250用5 V供電。TMS320LF2407通過(guò)高速光耦6N137后與82C250相連，不僅增強了CAN總線(xiàn)節點(diǎn)的抗干擾能力，而且實(shí)現了電平轉換。
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3 數字信號處理器與單片機通信系統軟件設計
數字信號處理器與單片機組成的CAN總線(xiàn)通信系統進(jìn)行數據通信時(shí)，應約定通信協(xié)議，如幀格式、波特率、標識符等。各節點(diǎn)軟件設計均包括數據發(fā)送和接收子程序以及CAN總線(xiàn)控制器初始化子程序。這里著(zhù)重研究CAN總線(xiàn)控制器的初始化。
3．1 單片機通信系統軟件設計
單片機CAN通信系統軟件設計主要是指SJA1000總線(xiàn)控制器的初始化程序設計。
CAN總線(xiàn)控制器初始化程序主要是通過(guò)對SJA1000寄存器寫(xiě)入相應的控制字，從而確定SJA1000的工作方式。SJA1000需要初始化的寄存器有：模式寄存器MODE、時(shí)鐘分頻寄存器CDR、接收代碼寄存器ACR、接收屏蔽寄存器AMR、中斷使能寄存器IER、總線(xiàn)定時(shí)寄存器BTR、輸出控制寄存器OCR等。其中，總線(xiàn)定時(shí)寄存器BTR的值決定CAN通信波特率，而波特率正確與否，是數字信號處理器與單片機實(shí)現CAN通信的關(guān)鍵。因為這些寄存器僅能在SJA1000復位期間進(jìn)行寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)，因此在對這些寄存器初始化之前，必須確保系統進(jìn)入復位狀態(tài)，在初始化后，須清除復位請求位，使SJA1000返回正常運行狀態(tài)，其初始化子程序如下：
3．2 數字信號處理器通信系統軟件設計
在使用數字信號處理器CAN控制器前必須對它的一些內部寄存器進(jìn)行設置，如對位定時(shí)器的設置及對郵箱進(jìn)行初始化。位定時(shí)器主要由CANBCR1和CANBCR2兩個(gè)寄存器組成，配置對位定時(shí)器也就是設置這兩個(gè)寄存器，其值決定了CcAN控制器的通信波特率、同步跳轉寬度、采樣次數和重同步方式等。對郵箱初始化主要是對郵箱進(jìn)行配置，設置郵箱的標識符以及接收濾波器的設置等。 CAN控制器初始化子程序如下：
4 結 語(yǔ)
單片機與數字信號處理器CAN總線(xiàn)通信系統實(shí)驗過(guò)程中，發(fā)送端采用查詢(xún)方式，接收端采用中斷方式，利用鍵盤(pán)改變發(fā)送數據，接收端利用液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示接收數據。反復試驗表明，該系統工作穩定性較高；該系統硬件電路或軟件程序稍加改動(dòng)可用于單片機與數字信號處理器或數字信號處理器與數字信號處理器等雙 CPU或多CPU測控系統中，且應用前景廣闊。
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