基于單片機的某車(chē)型CAN總線(xiàn)系統設計

摘要：簡(jiǎn)要介紹了AT90CAN 28的功能特點(diǎn)，講述了AT90CAN128中CAN控制器的原理及使用方法，針對所設計車(chē)型CAN總線(xiàn)控制系統的構成特點(diǎn)，制定了通信協(xié)議，并以聯(lián)合制動(dòng)單元為具體實(shí)例，對其設計過(guò)程進(jìn)行了詳細的描述，使讀者能更加深刻地體會(huì )到這款單片機的特別之處。

關(guān)鍵詞：AT90CAN128；單片機；CAN總線(xiàn)；聯(lián)合制動(dòng)；通訊協(xié)議

引言

    現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)^[1]是目前自動(dòng)化控制領(lǐng)域發(fā)展比較迅速的一門(mén)技術(shù)，其中CAN（Controller Area Network）總線(xiàn)^[2]是在國際上應用最廣泛的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。近幾年隨著(zhù)汽車(chē)電子行業(yè)的發(fā)展，現代汽車(chē)中CAN總線(xiàn)已經(jīng)成為必須采用的裝置之一。本文以ATMEL公司新近生產(chǎn)的一款內置CAN控制器的單片機——AT90CAN128為基礎，設計了一款車(chē)載CAN總線(xiàn)系統，通過(guò)CAN智能測控儀表對車(chē)中部分單元參數量進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，使各單元之間協(xié)調運轉。另外，傳輸線(xiàn)束大大簡(jiǎn)化，可靠性得到了極大的提高，有效節約了線(xiàn)束安裝空間和系統成本。

1　AT90CAN128特性概述

1．1 基本特性

    AT90CAN128^[3]是基于A(yíng)VR RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器，它采用了先進(jìn)的指令集以及單周期指令執行時(shí)間，其數據吞吐率高達1 MIPS/MHz，其內核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。所有寄存器都直接與ALU相連接。通過(guò)將8位RISC CPU與系統內可編程的Flash集成在一個(gè)芯片內，為許多嵌入式控制應用提供了靈活而低成本的方案。

1．2　內置CAN控制器概述

    AT90CAN128內置有完全符合CAN2.0A和2.0B標準協(xié)議的CAN控制器。采用MOb（消息對象）方式進(jìn)行數據的發(fā)送和接收，共有15個(gè)MOb，它們具有相同的屬性：有11位標識符（2.0A協(xié)議），也可擴展至29位（2.0B議）；8位數據緩沖（靜態(tài)分配）；Tx，Rx幀

    緩沖或自動(dòng)響應配置；時(shí)間標識。CAN控制器的結構如圖1所示。

圖1、CAN控制器結構

    MOb是一個(gè)CAN消息幀的描述符。它包括處理一個(gè)CAN消息幀的所有信息。這意味著(zhù)一個(gè)MOb可以看成一個(gè)對象，來(lái)描述一條CAN消息。MOb的數目是從0到14。它們相互獨立，但在多重比較的時(shí)候，低位的MOb會(huì )獲得優(yōu)先權。每個(gè)MOb都被安置在一個(gè)頁(yè)中來(lái)保存。頁(yè)的序號就是MOb的序號。{{分頁(yè)}}

2  車(chē)載CAN總線(xiàn)控制系統^[4]的設計

    由于對實(shí)時(shí)性要求比較高，所以采用高速CAN總線(xiàn)，信息傳輸速度為500kbps，連接的主要對象有：駕駛員計算機、發(fā)動(dòng)機、自動(dòng)變速器、安全氣囊、儀表信號采集系統、聯(lián)合制動(dòng)系統等。由于各個(gè)節點(diǎn)作用不同，所以在硬件搭建和軟件設計以及通信協(xié)議的制定上都采用了相應的方案。下面以聯(lián)合制動(dòng)單元為例，做具體分析。

    聯(lián)合制動(dòng)單元接收由駕駛員計算機終端發(fā)送的CAN總線(xiàn)消息命令，根據對液力制動(dòng)扭矩、機械制動(dòng)扭矩、合成扭矩等參數進(jìn)行檢測的狀態(tài)，經(jīng)過(guò)電液控制算法計算，實(shí)現前驅、后驅制動(dòng)控制。對正常制動(dòng)回路油位、緊急制動(dòng)回路油位的報警等信息，通過(guò)CAN總線(xiàn)反饋給駕駛員計算機終端。

2．1　聯(lián)合制動(dòng)單元硬件電路組成

    以AT90CAN128單片機作為控制系統核心，外圍設有8路光隔模擬量輸入、4路模擬量輸出、多路光隔開(kāi)關(guān)量輸入、輸出、LED報警及CAN總線(xiàn)收發(fā)器，總線(xiàn)的接口芯片選用的是Philips公司的PCA82C250。具體結構見(jiàn)圖2。

圖2、制動(dòng)單元硬件框圖

2．2          通信協(xié)議制定

2．2．1 各終端消息標識符的定義

    表1定義了駕駛員計算機終端及聯(lián)合制動(dòng)單元之間相互通訊的消息標識符。

表1、各終端的消息標識符

    采用CAN擴展幀的29位標識符進(jìn)行定義，其中P為3位優(yōu)先級；R為保留擴展位；8位的BW為報文類(lèi)型代碼；8位的BD為目標地址或報文類(lèi)型擴展碼；8位的BY為發(fā)送報文源地址。部分設備節點(diǎn)名稱(chēng)和分配地址如下：主駕駛員終端地址10、副駕駛員終端地址20、聯(lián)合制動(dòng)單元地址30。{{分頁(yè)}}

2．2．2 各消息類(lèi)型和命令值內容的定義

    駕駛員計算機終端對聯(lián)合制動(dòng)單元的控制消息內容為2個(gè)字節——命令類(lèi)型和命令值。命令類(lèi)型包括：狀態(tài)查詢(xún)命令（數據0x1，命令值0x0）、前/后驅制動(dòng)命令（數據0x2/0x3，命令值0x0）、聯(lián)合制動(dòng)單元前/后驅制動(dòng)信息確認（數據0x4/0x5，命令值0x0）等。

    聯(lián)合制動(dòng)單元提供給駕駛員計算機終端的消息內容包括：聯(lián)合制動(dòng)單元狀態(tài)信息（7字節，分別為液力制動(dòng)扭矩、機械制動(dòng)扭矩、合成扭矩、速度以及緊急回路和正常油壓的數值，以及正常制動(dòng)回路油位和緊急制動(dòng)回路油位的報警狀態(tài)）、聯(lián)合制動(dòng)單元報警信息（2字節，分別為正常制動(dòng)回路油位報警和緊急制動(dòng)回路油位的報警）、聯(lián)合制動(dòng)單元制動(dòng)返回消息（2字節，分別為收到的前驅或后驅制動(dòng)命令的命令數據和命令值）等。

2．3  軟件設計（CAN總線(xiàn)通訊部分）

2．3．1 初始化部分

    初始化前將CAN通用控制寄存器的最高位置1（復位模式）。完成后，回到操作模式。

    下面給出了CAN控制器的初始化程序：

void  CAN_INIT ( void )

{

CANGCON = 0x80 ;  /*進(jìn)入復位模式并且復位MOb*/

while  ( ENFG == 1 ) ;  /*測試CANGSTA中的ENFG位是否為0*/

CANGIE = 0xB0 ;  /*使能所有中斷及接收、發(fā)送中斷*/

CANIE2 = 0xFF ;  /*MOb 0~7中斷使能*/

CANIE1 = 0x00 ;  /*MOb 8~14中斷禁止*/

CANBT1 = 0x02 ;  /*設置波特率為500kbps*/

CANBT2 = 0x20 ;  

CANBT3 = 0x01 ; 

CANTCON = 0x8F ;  /*設置定時(shí)器預定標*/

/*以“聯(lián)合制動(dòng)單元狀態(tài)查詢(xún)消息”為例*/

CANPAGE = TX_PAGE ;  /*指定此消息的MOb頁(yè)（寄存器中的高4位）*/

CANCDMOB = 0x17 ;  /*禁止狀態(tài)，IDE位為1表示擴展幀，數據長(cháng)度代碼為7*/

CANIDT1 = 0x84 ;  /*標識符設置*/

CANIDT2 = 0xB1 ;

CANIDT3 = 0x18 ;

CANIDT4 = 0xF2 ;

CANIDM1 = 0xFF ;  /*標識符屏蔽設置*/

CANIDM2 = 0xFF ;

CANIDM3 = 0xFF ;

CANIDM4 = 0xFF ;

CANGCON = 0x02 ;  /*進(jìn)入操作模式*/

While  ( ENFG == 0 ) ;  /*測試CANGSTA中的ENFG位是否為1*/

}{{分頁(yè)}}

2．3．2　消息的發(fā)送部分

    消息的發(fā)送均采用中斷方式實(shí)現。首先通過(guò)設置CANPAGE寄存器來(lái)指定被發(fā)送的頁(yè)數，將數據裝載到CANMSG寄存器中，然后由CANCDMOB寄存器來(lái)控制發(fā)送動(dòng)作，將消息發(fā)送出去，同時(shí)將觸發(fā)CANSTMOB中的TXOK中斷。

    下面以協(xié)議中的“聯(lián)合制動(dòng)單元狀態(tài)查詢(xún)命令”為例，給出了發(fā)送程序：

void  CAN_TX ( void )

{

CANPAGE = TX_PAGE ;  /*指定此消息的MOb頁(yè)（寄存器中的高4位）*/

CANMSG = 0x01 ;  /*裝載消息數據*/

CANMSG = 0x00 ;  /*裝載消息命令值*/

CANCDMOB = 0x52 ;  /*發(fā)送狀態(tài)，IDE位為1表示擴展幀，數據長(cháng)度代碼為2*/

}

void  CAN_TX_INTER ( void )  /*發(fā)送中斷子程序*/

{

If  ( ( CANSTMOB & 0x40 ) == 0x40 )  /*發(fā)送中斷*/

{

CANSTMOB & = 0xBF ;  /*清TXOK位*/

CANCDMOB = 0x12;  /*停止發(fā)送*/

}

}

2．3．3　消息的接收部分

    消息的接收同樣采用中斷方式實(shí)現。先設置CANPAGE寄存器來(lái)指定接收的頁(yè)數，隨后由CANCDMOB寄存器來(lái)控制接收動(dòng)作，當有消息到達時(shí)，將觸發(fā)CANSTMOB中的RXOK中斷，消息中的數據將被裝載到CANMSG寄存器中。{{分頁(yè)}}

    下面以協(xié)議中的“接收聯(lián)合制動(dòng)單元狀態(tài)信息”為例，給出了接收程序：

void  CAN_RX ( void )

{

CANPAGE = RX_PAGE ;  /*指定此消息的MOb頁(yè)（寄存器中的高4位）*/

CANCDMOB = 0x97 ;  /*接收狀態(tài)，IDE位為1表示擴展幀，數據長(cháng)度代碼為7*/

}

void  CAN_RX_INTER ( void )  /*接收中斷子程序*/

{

If  ( ( CANSTMOB & 0x20 ) == 0x20 )  /*接收中斷*/

{
         CANSTMOB & = 0xDF ;  /*清RXOK*/

   For ( i = 0 ; i < 7 ; i++ )
            {
              MObData [ RX_PAGE ] [ i ] = CANMSG ;  /*裝載數據*/
        }

}

}

4　結束語(yǔ)

    與目前同類(lèi)型的單片機相比較，AT90CAN128在數據采集、PWM（快速PWM模式）等設計中都有其明顯的優(yōu)勢，特別是內置了CAN控制器，這讓它在現代自控領(lǐng)域的發(fā)展前景十分樂(lè )觀(guān)。通過(guò)實(shí)踐證明，該車(chē)載CAN總線(xiàn)系統運行良好，完全可以達到預期的功能。

    本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：本文由于采用了AT90CAN128單片機，使得該CAN總線(xiàn)系統的設計方法與傳統的CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )設計思路有所不同，內置CAN控制器可大大降低設備成本、簡(jiǎn)化硬件結構、通信效率加強、提高了安全性以及可靠性。軟件設計上可通過(guò)對MOb的配置，實(shí)現消息隊列的設定，這種方法更加的靈活、易懂。

參考文獻：

[1]  史久根，張培仁，陳真勇. CAN現場(chǎng)總線(xiàn)系統設計技術(shù). 國防工業(yè)出版社，2004.第1版
[2]  饒運濤，鄒繼軍，鄭勇蕓. 現場(chǎng)總線(xiàn)CAN原理與應用技術(shù)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2003.第1版
[3]  AT90CAN128.pdf.  www.atmel.com/literature
[4]  王軼，張凡. CAN總線(xiàn)技術(shù)在智能汽車(chē)系統中的應用. 《微計算機信息》2005年第七期47頁(yè)