基于Cortex-M3內核芯片LM3S2965的CAN總線(xiàn)節點(diǎn)設計

引言

　　CAN總線(xiàn)具有通信速率高、可靠性高、連接方便和性能價(jià)格比高等諸多特點(diǎn)。CAN(Controller Area Network，控制器局域網(wǎng))屬于總線(xiàn)式通信網(wǎng)絡(luò )，它是一種專(zhuān)門(mén)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò )，不同于以太網(wǎng)等管理和信息處理用網(wǎng)絡(luò )，其物理特性及網(wǎng)絡(luò )協(xié)議特性更強調工業(yè)自動(dòng)化的底層監測及控制。它采用了最新的技術(shù)及獨特的設計，可靠性和性能超過(guò)了已陳舊的現場(chǎng)通信技術(shù)，如RS485、BITBUS等。

　　多數采用微處理器結合CAN控制器芯片的硬件方案，軟件實(shí)現上是對CAN控制器芯片的寄存器編程，比較繁瑣。Luminary Micro公司(現已被TI公司收購)所提供的Stellaris系列是基于ARM Cortex-M3的控制器，它們?yōu)閷Τ杀居绕涿舾械那度胧轿⒖刂破鲬梅桨笌?lái)了高性能的32位運算能力。其中，LM3S2000系列是針對控制器局域網(wǎng)(CAN)應用方案而設計的一組芯片，它在Stellaris系列芯片的基礎上擴展了Bosch CAN網(wǎng)絡(luò )技術(shù)——短距離工業(yè)網(wǎng)絡(luò )里的黃金標準。

　　目前，很多系統需要稱(chēng)重數據。本文介紹一種利用LM3S2965芯片設計的CAN總線(xiàn)節點(diǎn)的軟硬件方案，可以直接將儀表與傳感器組成的稱(chēng)重系統接人現有的分布式網(wǎng)絡(luò )中。

1 系統硬件設計

　　基于CAN總線(xiàn)的分布式控制網(wǎng)絡(luò )系統如圖1所示。采用現場(chǎng)總線(xiàn)式集散控制系統(Field Distributed Control Svstem，FDCS)結構，由CAN總控中心、控制節點(diǎn)以及CAN現場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò )組成。CAN總控中心主要完成在線(xiàn)系統監控，多個(gè)智能節點(diǎn)各自獨立完成數據采集、系統設定、運行顯示控制等，通過(guò)CAN現場(chǎng)總線(xiàn)，在操作站和智能節點(diǎn)之間交換各種數據和管理控制信息。圖中的任何一個(gè)控制節點(diǎn)都可能是稱(chēng)重系統，由稱(chēng)重傳感器和稱(chēng)重儀表組成。通過(guò)這個(gè)控制網(wǎng)絡(luò )，總控中心就可以監控、操作各個(gè)稱(chēng)重單元的工作狀態(tài)。

　　本文利用TI公司生產(chǎn)的LM3S2965設計了一種CAN總線(xiàn)系統智能節點(diǎn)。節點(diǎn)包括A／D轉換、顯示、按鍵輸入、CAN接口等多個(gè)部分，根據系統的要求還可以增加更多的模塊。本文僅介紹CAN接口部分，其硬件電路如圖2所示。該電路主要包括CAN總線(xiàn)收發(fā)器SN65HVD1050D、高速光電耦合器6N137以及與微控制器LM3S2965的接口部分。LM3S2965通過(guò)內置CAN控制器極大地簡(jiǎn)化了硬件設計和軟件編程，加速了實(shí)現方案的設計，且穩定可靠性得到保證。

　　為了增強CAN總線(xiàn)節點(diǎn)的抗干擾能力，LM3S2965的TXO和RXO通過(guò)高速光耦6N137與CAN收發(fā)器SN65HVD1050D相連，很好地實(shí)現了總線(xiàn)上各CAN節點(diǎn)間的電氣隔離。電源的完全隔離可采用小功率電源隔離模塊或帶多5 V隔離輸出的開(kāi)關(guān)電源模塊實(shí)現，這些部分雖然增加了節點(diǎn)的復雜程度，但卻提高了節點(diǎn)的穩定性和安全性。6N137光耦合器的使用需要注意兩點(diǎn)：第一，6N137的第6腳輸出電路屬于集電極開(kāi)路電路，必須接一個(gè)上拉電阻；第二，6N137內部的第2腳和第3腳之間是一個(gè)LED，必須串接一個(gè)限流電阻。

2 系統軟件設計

　　CAN總線(xiàn)節點(diǎn)的軟件設計主要包括3部分：CAN節點(diǎn)初始化、報文發(fā)送和報文接收。初始化程序設計對于CAN總線(xiàn)節點(diǎn)的正常工作相當重要。它主要包括工作方式、時(shí)鐘輸出寄存器、接收屏蔽寄存器、接收代碼寄存器、總線(xiàn)定時(shí)器、輸出控制寄存器和中斷允許寄存器的設置。

　　LM3S2965及其系列芯片由廠(chǎng)家提供了底層的API，用于訪(fǎng)問(wèn)Stellaris CAN模塊的函數集。這些函數用于對CAN控制器、報文對象進(jìn)行配置，對CAN中斷進(jìn)行管理，大大簡(jiǎn)化了編程的復雜性，也增強了軟件的移植性。

　　Stellaris CAN模塊提供了CAN數據鏈接層的硬件處理。因為可以被配置成具有報文過(guò)濾器并能預載報文數據，所以它能在總線(xiàn)上自動(dòng)發(fā)送和接收報文，并相應地通知應用。它能自動(dòng)地處理CRC的產(chǎn)生和檢查、錯誤處理以及CAN報文的重發(fā)。

　　報文對象存放在CAN控制器中，并且它能提供CAN總線(xiàn)上的CAN模塊的主接口。這32個(gè)報文對象中的每一個(gè)都能被編程成可以處理一個(gè)獨立的報文ID，或能在同一個(gè)ID上被一起鏈接成一個(gè)幀序列。報文標識符過(guò)濾器提供了能被編程為與任何或全部報文ID位相匹配的屏蔽和幀類(lèi)型。CAN API提供了應用所需要用來(lái)實(shí)施一個(gè)中斷驅動(dòng)CAN堆棧的全部函數?？墒褂眠@些函數控制Stellaris微控制器的任何一個(gè)可用的CAN端口，并且函數能與一個(gè)端口使用而不會(huì )與其他端口造成沖突。

　　默認時(shí)CAN模塊被禁止，因此在調用任何其他的CAN函數前，必須要先調用CANInit()函數。這樣就能在使能CAN總線(xiàn)上的控制器前把報文對象初始化到一個(gè)安全的狀態(tài)。同樣，在使能CAN控制器前，必須對位時(shí)序值進(jìn)行編程。在位時(shí)序值被編程為一個(gè)適當的值時(shí)，應該要調用CAN總線(xiàn)的CANSetBitTiming()函數。一旦調用完這兩個(gè)函數，就可使用CANEnable()將CAN控制器使能，如有需要，稍后可使用CANDisable()將其關(guān)閉。調用CANDisable()并不會(huì )重新初始化一個(gè)CAN控制器，因此可以使用它來(lái)暫時(shí)把CAN控制器從總線(xiàn)上移除。

　　CAN控制器具有很高的可配置性并且包含32個(gè)報文對象，在某些條件下這些報文對象能被編程為自動(dòng)發(fā)送和接收CAN報文。報文對象允許應用程序自動(dòng)執行一些操作而無(wú)需與微控制器進(jìn)行交互。

　　以下是這些操作的一些范例：

　?、倭⒓窗l(fā)送一個(gè)數據幀；

　?、诋斣贑AN總線(xiàn)上發(fā)現一個(gè)正在匹配的遠程幀時(shí)，發(fā)送一個(gè)數據幀；

　?、劢邮找粋€(gè)特定的數據幀；

　?、芙邮张c某個(gè)標識符樣式匹配的數據幀。

　　為了把報文對象配置成可以執行這些操作中的任何一個(gè)操作，應用程序必須首先要使用CANMessageSet()來(lái)設置32個(gè)報文對象中的其中一個(gè)。這個(gè)函數能把一個(gè)報文對象配置成可以發(fā)送數據或接收數據。每一個(gè)報文對象可以被配置成在發(fā)送或接收CAN報文時(shí)產(chǎn)生中斷。

　　當從CAN總線(xiàn)接收到數據時(shí)，應用程序可以使用CANMessageGet()函數讀取到所接收到的報文。同樣，該函數也能讀取這樣一個(gè)報文：在改變報文對象的配置前，報文已被配置以便定位一個(gè)報文結構。使用這個(gè)函數讀取報文對象，將會(huì )清除任何報文對象中正在掛起的中斷。

　　一旦已使用CANMessageSet()來(lái)完成對一個(gè)報文對象的配置，那么此函數分配報文對象并繼續執行其編程功能，除非通過(guò)調用ANMessage-Clear()將其釋放。在對報文對象進(jìn)行新配置前，無(wú)需請求應用程序清除報文對象，因此每次調用CANMessageSet()時(shí)，它將會(huì )覆蓋任何之前被編程的配置。