利用PCA82C250芯片實(shí)現(xiàn)CAN總線系統(tǒng)智能節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用方案

引言

CAN（Controll Area Network）即為控制器局域網(wǎng)，是世界上應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)場總線之一。它最早由德國Bosh公司率先提出，主要用于解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換問題。CAN總線規(guī)范已經(jīng)被ISO國際標(biāo)準(zhǔn)組織制定為國際標(biāo)準(zhǔn)IS011898（高速應(yīng)用）和IS011519（低速應(yīng)用），得到了Motorola、Intel、Philips、Siemence、NEC等公司的支持。由于CAN總線具有很多優(yōu)越的性能，因此它在汽車工業(yè)、航空工業(yè)、工業(yè)控制、安全防護(hù)等眾多領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。目前CAN總線系統(tǒng)以其高性能和高可靠性，在汽車總成控制器的開發(fā)中占據(jù)了重要的位置。CAN總線系統(tǒng)智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的工作重點(diǎn)集中在節(jié)點(diǎn)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)上。本文以國家863高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)為依托，圍繞混和動(dòng)力汽車總成控制器進(jìn)行CAN總線系統(tǒng)智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。

1 智能節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)

1．1 技術(shù)特點(diǎn)

CAN總線與其他通訊網(wǎng)絡(luò)的不同之處在于：報(bào)文傳送中不包括目標(biāo)地址，以全網(wǎng)廣播為基礎(chǔ)，各接收站根據(jù)報(bào)文中反映數(shù)據(jù)的性質(zhì)的標(biāo)識(shí)符過濾報(bào)文；強(qiáng)化了對數(shù)據(jù)安全性的關(guān)注，滿足控制系統(tǒng)較高的數(shù)據(jù)需求。它具有如下顯著特征：極高的總線利用率、低成本、高速的數(shù)據(jù)傳輸速率、遠(yuǎn)距離傳輸、可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制、可根據(jù)報(bào)文的ID決定接收或屏蔽該報(bào)文、節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)退出總線的功能等等。

1．2 體系結(jié)構(gòu)

CAN層的定義與開放系統(tǒng)互連模型（GSI）一致。每一層與另一設(shè)備上相同的那一層通訊。實(shí)際的通訊發(fā)生在每一設(shè)備上相鄰的兩層，而設(shè)備只通過模型物理層的物理介質(zhì)互連。CAN的規(guī)范定義了模型的最下面兩層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。應(yīng)用層協(xié)議可以由CAN用戶定義成適合特別工業(yè)領(lǐng)域的任何方案。另外，CAN還能使用多種物理介質(zhì)，如雙紋線、光纖等，其中最常用的是雙絞線。信號(hào)使用差分電壓傳送，兩條信號(hào)線被稱為“CAN_H”和“CAN_L”，靜態(tài)時(shí)均是2．5V左右，此時(shí)狀態(tài)表示為邏輯“1”，也可以叫做“隱性”。用CAN_H比CAN．L高表示邏輯“0”，稱為“顯形”，通常電壓值為：CAN_H=3．5V和CAN_L=1．5V。

1．3 智能節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)模型

在汽車總成控制系統(tǒng)中，各個(gè)ECU（Electrcnic Control Unit）單元之間的通訊都是通過CAN總線來實(shí)現(xiàn)的。CAN總線智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的好壞將直接決定控制單元之間通訊信息的可靠性。智能節(jié)點(diǎn)主要由微控制器，CAN控制器和CAN收發(fā)器構(gòu)成。

微控制器主要利用CAN控制器來接收數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后將處理結(jié)果通過CAN控制器和CAN收發(fā)器發(fā)送給其它的節(jié)點(diǎn)。根據(jù)軟件設(shè)計(jì)的需要，采用Motorola公司推出的32位高性能微控制器MPC565作為智能節(jié)點(diǎn)的控制中樞。該控制器具有快速數(shù)據(jù)處理、高速可靠通訊和強(qiáng)抗干擾性等顯著特點(diǎn)。在CAN總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。

CAN控制器主要執(zhí)行在CAN規(guī)范中所定義的CAN通訊協(xié)議，通常用于信息緩沖和驗(yàn)收濾波。在該系統(tǒng)中采用MPC565提供的高性能CAN控制器模塊ToLuCAN進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。TouCAN模塊是一個(gè)高速的（高傳輸率IMBiffSec），短距離的，可在不同介質(zhì)上通訊的CAN控制器。它不但在控制器局域網(wǎng)中采用CAN2.0B通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)與其它ECU單元之問的異步通訊，而且還擁有消息濾波功能的屏蔽寄存器，將接收的消息ID與選定的消息緩沖區(qū)ID進(jìn)行比較，如果存在一個(gè)匹配，那么該消息即可被接收，其主要特點(diǎn)如下：

（1）完全符合CAN通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，傳輸率最多同達(dá)到1Mbit/sec。

（2）可通過編程來設(shè)置傳送消息的具體方案，即從最低的ID號(hào)開始傳送消息或者從最低消息緩沖區(qū)號(hào)開始傳送消息。

（3）采用開放式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的傳輸介質(zhì)（外部直接連接CAN總線收發(fā)器）。

CAN收發(fā)器用于建立CAN控制器和物理總線之間的連接，控制邏輯電平信號(hào)從CAN控制器到達(dá)物理總線的物理層，反之亦然。在智能節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中．CAN收發(fā)器采用的是PHILIPS公司推出的PCA82C250芯片。它是一種先進(jìn)的CAN總線收發(fā)器，不僅能夠?qū)偩€提供差動(dòng)發(fā)送能力和對CAN控制器提供差動(dòng)接收能力，而且擴(kuò)展的普通模式范圍（-7V．+12V）和斜率控制功能使電磁兼容EMC性能增強(qiáng)。另外它還可以防止總線輸出短路和一般控制環(huán)境中的瞬變現(xiàn)象，具有熱關(guān)閉功能。可以在溫度過載的情況下保護(hù)器件。

2 智能節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能節(jié)點(diǎn)的硬件系統(tǒng)原理圖如圖1所示。它利用PCA82C250芯片將MPC565的內(nèi)部CAN通訊引腳與外部CAN總線連接在一起。PCA82C250是一個(gè)連接CAN控制器和外部物理總線的接口，所提供的最高傳送波特率為1M波特。MPC565的A_CNTX0，A_CNRX0引腳和B_CNTX0，B_CNRX0引腳分別作為兩個(gè)通訊端口的傳送端和接收端。MPC565微控制器用于對TouCAN模塊進(jìn)行初始化，并通過該模塊與外部總線網(wǎng)路進(jìn)行通訊。

圖1智能節(jié)點(diǎn)硬件原理圖

3 智能節(jié)點(diǎn)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能節(jié)點(diǎn)的軟件系統(tǒng)主要包括TouCAN初始化模塊、消息傳送模塊和消息接收模塊。

3．1 TouCAN初始化模塊

該模塊主要用于實(shí)現(xiàn)消息緩沖區(qū)的初始化和CAN通訊參數(shù)的初始化，其流程圖如圖2所示。它的主要工作過程如下：

圖2 TouCAN初始化流程圖

（1）初始化所有的操作模式

首先通過配置控制寄存器0 （CANCTRL0）來設(shè)定傳輸和接收引腳的操作模式，然后設(shè)定控制寄存器1的位定時(shí)參數(shù)。如PROPSEG，PSEGSI，PSEG2，RJW。隨后通過編程設(shè)置PRESDIV寄存器來選擇SCLOCK操作時(shí)鐘。最后通過設(shè)定控制寄存器1中的LBUF位來選擇內(nèi)部仲裁模式。

（2）初始化消息緩沖區(qū)

TouCAN模塊包括16個(gè)消息緩沖區(qū)，在每個(gè)消息緩沖區(qū)有效或無效時(shí)，它的控制和狀態(tài)字必須執(zhí)行寫操作。另外必要時(shí)每個(gè)消息緩沖區(qū)的所有其他入口都應(yīng)該被初始化。

（3）初始化屏蔽寄存器用于接收外部屏蔽源。

（4）初始化TouCAN的中斷處理器。

中斷處理器的初始化主要是完成對中斷配置寄存器CANICR和相關(guān)屏蔽位的設(shè)置。這些屏蔽位主要包括消息緩沖區(qū)中斷屏蔽位IMASK，總線關(guān)閉和錯(cuò)誤中斷屏蔽位CANCTRL0，WAKE中斷屏蔽位CANMCR。

（5）對模塊配置寄存器中的HALT位取反．用于實(shí)現(xiàn)CAN總線同步。

3．2 消息傳送模塊

消息傳送模塊比較簡單，主要由TouCAN模塊獨(dú)立完成，其流程圖如圖3所示。

圖3 消息傳送流程圖

消息的傳送過程：加載消息和標(biāo)識(shí)符ID到用于傳送的消息緩沖區(qū)中，使這個(gè)傳送緩沖區(qū)有效．執(zhí)行相關(guān)操作完成消息的傳送：寫控制和狀態(tài)字，使傳送緩沖區(qū)無效；寫ID_HIGH和ID_LOW字；寫待傳送的數(shù)據(jù)字節(jié)；寫控制和狀態(tài)字，使得傳送緩沖區(qū)有效，并設(shè)定傳輸消息長度。

在上述操作過程中，第1步和第4步是必須的，可以保證數(shù)據(jù)的相干性。另外一旦一個(gè)有效的傳送代碼被寫入到一個(gè)傳送消息緩沖區(qū)中，緩沖區(qū)便開始檢測CAN總線是否空閑．或者有空白的中間幀。而當(dāng)有多個(gè)消息等待傳送時(shí)，內(nèi)部的仲裁邏輯將選擇一個(gè)消息緩沖區(qū)用于下一幀的傳送。在成功傳送之后，自由運(yùn)行定時(shí)器的值將被寫入到消息緩沖區(qū)的TIME字段中，在控制和狀態(tài)字中的CODE字段也被更新，同時(shí)IFLAG寄存器中的狀態(tài)位被置1。

3．3 消息接收模塊

消息接收模塊的處理要復(fù)雜的多，在接收消息的同時(shí)，它要處理總線分離和接收溢出等情況，其流程圖如圖4所示。消息的接收過程：首先用戶配置消息緩沖區(qū)等待接收，然后TouCAN模塊把串行消息緩沖區(qū)中接收到的具有匹配ID的消息傳送到接收消息緩沖區(qū)中，最后用戶處理消息，具體操作如下：寫控制和狀態(tài)字，使接收緩沖區(qū)無效；寫ID_HIGH和ID_LOW字；寫控制和狀態(tài)字，屏蔽接收消息緩沖區(qū)，使其有效并且為空。同傳送操作過程類似，第1步和第3步也是用于保證數(shù)據(jù)的相干性。一旦這些步驟完成，消息緩沖區(qū)將作為一個(gè)有效的接收緩沖區(qū)使用，并進(jìn)行匹配操作。消息緩沖區(qū)任何時(shí)候都能捕捉到TouCAN是否接收到錯(cuò)誤的空閑幀，在這個(gè)過程中，所有有效的消息緩沖區(qū)比較他們的標(biāo)識(shí)符ID同最新接收的消息的標(biāo)識(shí)符ID．如果匹配，則從最低入口開始，將幀傳送到第一個(gè)匹配的接收消息緩沖區(qū)中。在接收到消息的問時(shí)，自由運(yùn)行定時(shí)器的值被寫入到消息緩沖區(qū)的TIME字段，ID字段、DATA字段和RX長度字段被存儲(chǔ)，代碼字段被更新。另外FLAG寄存器中的狀態(tài)標(biāo)志位也被置1。

圖4 消息接收流程圖

4 結(jié)論

通過對汽車總成控制器的CAN總線系統(tǒng)智能節(jié)點(diǎn)的研究，建立了汽車控制系統(tǒng)通訊網(wǎng)路的模型，為整車開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。目前利用該智能節(jié)點(diǎn)已經(jīng)完成了總成控制器與其它ECU單元之間的通訊測試。測試結(jié)果充分表明：所設(shè)計(jì)的智能節(jié)點(diǎn)完全符合總成控制的需要．具有較好的推廣價(jià)值。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：提出了利用32位微控制器MotorolaMPC565的TouCAN模塊來構(gòu)建混合動(dòng)力汽車CAN總線系統(tǒng)．并設(shè)計(jì)了智能節(jié)點(diǎn)的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。

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