基于CAN控制器SJA1000的智能高速控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：本文介紹了一種新型的現(xiàn)場總線控制器SJA1000的基本原理結(jié)構(gòu)及功能特點，重點敘述了基于CAN控制器SJA1000的智能控制系統(tǒng)硬件電路及軟件設(shè)計，給出了初始化程序。

SJA1000的特點及功能
SJA1000是一種應(yīng)用于汽車和一般工業(yè)環(huán)境的獨立CAN總線控制器，經(jīng)過簡單總線連接可完成CAN總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能。其硬件與軟件設(shè)計和PCA82C200的基本CAN模式BasicCAN兼容。同時，新增加的增強CAN模式PeliCAN還可支持CAN2.0B協(xié)議。SJA1000的主要特性如下 ：1、管腳及電氣特性與獨立CAN總線控制器PCA82C200兼容 ；2、軟件與PCA82C200兼容(缺省為基本CAN模式)；3、擴展接收緩沖器(64字節(jié)FIFO)；4、支持CAN2.0B時支持11和29位標(biāo)識符；5、位通訊速率為1Mbits/s；6、增強CAN模式(PeliCAN)；7、采用24ＭＨｚ時鐘頻率；8、支持多種微處理器接口；9、可編程CAN輸出驅(qū)動配置；10、工作溫度范圍為-40~+125℃。
CAN控制模塊構(gòu)成
CAN控制模塊由接口管理邏輯、發(fā)送緩沖器、接收緩沖器(RXFIFO)、接收過濾器、位流處理器 (BSP)、位時序邏輯 (BTL)和錯誤管理邏輯(EML)組成。

圖1 智能控制系統(tǒng)硬件原理圖

新增功能
PeliCAN模式，將識別碼從11位擴展到29位，使ＣＡＮ總線的節(jié)點數(shù)大大地擴大，從而使得CAN總線的適用范圍更加廣泛。除了擴展了識別碼，PeliCAN模式還有以下擴展功能：1、可讀 /寫訪問的錯誤計數(shù)器；2、可編程的錯誤計數(shù)器；3、最近一次錯誤代碼寄存器；4、對每一個CAN總線錯誤的中斷；5、具體控制為控制的仲裁丟失中斷；6、單次發(fā)送 (無重發(fā))；7、只聽模式 (無確認(rèn)，無活動的出錯標(biāo)志)；8、支持熱插拔 (軟件位速率檢測)；9、接收過濾器擴展 (4字節(jié)代碼，4字節(jié)屏蔽)；10、自身信息接收 (自接收請求)。以上擴展功能為用戶更好地識別和處理發(fā)送和接收錯誤、更好地應(yīng)用和調(diào)試CAN控制器提供了方便。

智能控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
根據(jù)SJA1000的功能特點以及課題的實際需要，我們選用SJA1000作為CAN控制器，并且使用了CAN控制器接口芯片PCA82C250，PCA82C250是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口。此器件對總線提供差動發(fā)送能力，對CAN控制器提供差動接收能力。整個系統(tǒng)以Intel 16位單片機80C196KC為核心。INTEL 80C196KC采用68腳PLCC封裝形式，內(nèi)部尋址采用寄存器結(jié)構(gòu)，從而避免了以往8位單片機只能用累加器參與尋址而產(chǎn)生的瓶頸效應(yīng)，大大提高了工作效率。其內(nèi)部設(shè)有256個字節(jié)的RAM，帶有28個中斷源，可形成16個中斷矢量。在16MHz的晶振下，16乘16位的乘法只需1.75ms，32除16位除法指令只需3.2ms，尤其適合于高采樣頻率快速控制系統(tǒng)，它本身還帶有3路PWM輸出引腳，可直接驅(qū)動三相電動機，內(nèi)部設(shè)有3個H窗口和1個V窗口，使特殊功能寄存器的數(shù)量和保護功能倍增。由于采用的是CMOS工藝，其功耗小，并有掉電保護和閑置功能。因此，采用INTEL公司生產(chǎn)的16位單片機80C196KC機作為控制系統(tǒng)的主控制器是十分理想的選擇。SJA1000在智能控制系統(tǒng)中的硬件配置與CAN總線接口的電路如圖 1所示。硬件電路中使用 PCA82C250的目的是為了增大通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護總線，降低射頻干擾，實現(xiàn)熱防護等。
SJA1000在電路中是一個總線接口芯片，實現(xiàn)從上位機PC-CAN接口到現(xiàn)場微處理器之間的數(shù)據(jù)通信。對于微處理器而言，SJA1000是一個總線接口，SJA1000片內(nèi)的存儲單元相對80C196KC來說是片外的數(shù)據(jù)存儲器，因此，可以按照擴展片外數(shù)據(jù)存儲器的形式來訪問SJA1000的寄存器地址。80C196KC是CAN控制器的微處理器，把80C196KC的ALE、RD、WR和 SJA1000的ALE、RD、WR相連就構(gòu)成一個最小系統(tǒng)節(jié)點。80C196KC通過地址總線經(jīng)GAL譯碼來選通 SJA1000，并由此決定CAN控制器各寄存器的地址，通過讀、寫外部數(shù)據(jù)存儲器的形式來訪問 SJA1000。在系統(tǒng)中我們將SJA1000的TX1腳懸空，RX1引腳接地，形成CAN協(xié)議所要求的電平邏輯。該電路的主要功能就是通過CAN總線接收來自上位機的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析組態(tài)，然后下傳給下位機的控制電路實現(xiàn)控制功能，當(dāng)智能控制系統(tǒng)接收到下位機的上傳數(shù)據(jù)，SJA1000的中斷輸出INT腳就會被激活，出現(xiàn)一個由高電平到低電平的躍變，產(chǎn)生一個中斷，從而引發(fā)微處理器80C196KC產(chǎn)生中斷，通過中斷處理程序接收每一幀信息并通過CAN總線上傳給上位機進(jìn)行分析，以便及時糾正誤碼、錯碼。
在進(jìn)行電路設(shè)計時應(yīng)當(dāng)注意：為進(jìn)一步提高系統(tǒng)抗干擾能力，在CAN控制器SJA1000和CAN控制器接口82C250之間加接6N137光電隔離芯片，并采用DC-DC變換器隔離電源；通信信號傳輸?shù)綄?dǎo)線的端點時會發(fā)生反射，反射信號會干擾正常信號的傳輸，因而總線兩端兩個124W的電阻對匹配總線阻抗起著相當(dāng)重要的作用，忽略掉它們，會使數(shù)據(jù)通信的抗干擾性和可靠性大大降低，甚至無法通信；82C250第8腳與地之間的電阻RS稱為斜率電阻，它的取值決定了系統(tǒng)處于高速工作方式還是斜率控制方式。把該引腳直接與地相連，系統(tǒng)將處于高速工作方式。在這種方式下，為避免射頻干擾，建議使用屏蔽電纜作總線；而在波特率較低、總線較短時，一般采用斜率控制方式，上升和下降的斜率取決于RS的阻值。通常情況下，15KW~200KW為RS較理想的取值范圍。在這種方式下，可以使用平行線或雙絞線作總線。

系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件設(shè)計的指導(dǎo)思想是系統(tǒng)上電后首先對80C196KC和SJA1000進(jìn)行初始化，以確定工作主頻、波特率、輸出特性等，然后通過查詢方式獲取模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣值，并把該值通過SJA1000傳送到CAN總線上由上位PC機進(jìn)行顯示控制，而對CAN總線上來的信息則采用中斷方式，系統(tǒng)每接收到一幀信息，便產(chǎn)生一次中斷以觸發(fā)微處理器進(jìn)入中斷，在中斷服務(wù)程序中讀取該幀信息并傳送到現(xiàn)場。為防止出現(xiàn)死機和干擾，程序中還采用看門狗技術(shù)進(jìn)行定時監(jiān)控。以下CAN總線的初始化設(shè)計，假設(shè)SJA1000的首址是A000H：
CR EQU A 0 0 0H ；控制寄存器
CMR EQU A 0 0 1H ；命令寄存器
SR EQU A 0 0 2H ；狀態(tài)寄存器
IR EQU A 0 0 3H ；中斷寄存器
ACR EQU A 0 0 4H ；驗收碼寄存器
AMR EQU A 0 0 5H ；驗收屏蔽寄存器
BTR0 EQU A 0 0 6H ；總線定時寄存器 0
BTR1 EQU A 0 0 7H ；總線定時寄存器 1
OCR EQU A 0 0 8H ；輸出控制寄存器
DI
LDB CL , # 03H
STB CL ,CR ；開放接收中斷，復(fù)位
請求位置1,以開始初始化。
LDB CL , # 01H　　
STB CL ,ACR ；將節(jié)點1標(biāo)識符送ACR
LDB CL , # 0FEH　
STB CL ,AMR ；驗收濾波
LDB CL , # 0 0H　
STB CL ,BTR0 ；傳送波特率為
250kbps
LDB CL , # 1 4H　 　
STB CL ,BTR1 ；定義位周期寬度 ,
采樣點位置及采樣次數(shù)選
LDB CL , # 0AAH　
STB CL ,OCR ；選擇正常輸出方式
,建立輸出驅(qū)動器的配置。
LDB CL, # 1AH
STB CL,CR ；復(fù)位請求位置0，初
始化結(jié)束
EI
對CAN控制器進(jìn)行初始化，實際上就是對ACR、AMR、BTR0、BTR1、OCR這些寄存器進(jìn)行訪問。只有當(dāng)控制寄存器CR中的復(fù)位請求位為高時，訪問才被允許，否則既寫不進(jìn)去，也讀不出正確的內(nèi)容。對CR進(jìn)行第一次寫操作，要設(shè)定將要開放的中斷類型，并置位復(fù)位請求，允許初始化開始。對ACR、AMR進(jìn)行寫操作，要界定對什么樣的報文予以接收，因此有時稱它們?yōu)轵炇?a href="http://www.ttokpm.com/tags/濾波器/" target="_blank">濾波器。當(dāng)滿足以下兩個條件之一，并存在空的接收緩存器(RBF)時，完整報文可被正確接收。
條件一 :ACR與報文標(biāo)識符的高 8位在AMR為“0”相關(guān)位上對應(yīng)相等。
條件二 :AMR=0FFH，即ACR的所有位均為不相關(guān)(或屏蔽)位。
這兩個寄存器也是編排標(biāo)識符的基本依據(jù)。
對BTR0進(jìn)行操作,可決定波特率預(yù)分頻器 (BRP)和同步跳轉(zhuǎn)寬度(SJW)的數(shù)值；對BTR1進(jìn)行寫操作,可決定位周期的寬度,采樣點的位置及在每個采樣點進(jìn)行采樣的次數(shù)。這兩個寄存器的內(nèi)容,可唯一確定波特率及同步跳轉(zhuǎn)寬度。例如:程序中BTR0 =00H ,BTR1=14H ,晶振頻率為16MHz時,采樣時鐘周期tSCL等于兩倍的振蕩器時鐘周期。波特率剛好為1Mbps,同步跳轉(zhuǎn)寬度為一個tSCL。
在編寫程序時，還需特別注意的是，一個系統(tǒng)中的所有節(jié)點BTR0和BTR1的內(nèi)容都應(yīng)相同，否則控制系統(tǒng)將無法和上位機進(jìn)行通信。對OCR進(jìn)行寫操作，可確定CAN控制器的輸出方式，并建立起CAN總線要求的電平邏輯所需輸出驅(qū)動器的配置。對CR進(jìn)行第二次操作主要是清復(fù)位請求位,使SJA1000返回正常運行狀態(tài)。成功的初始化SJA1000后,系統(tǒng)就可以應(yīng)用它來傳輸報文。系統(tǒng)總體程序框圖及中斷服務(wù)程序框圖見本刊網(wǎng)站。

結(jié)語
實踐表明，SJA1000是一種較好的CAN總線控制器件，在PeliCAN模式下，其識別碼達(dá)29位，因而可滿足各種應(yīng)用場合。在自動化控制系統(tǒng)中，合理安排這29位識別碼可以使許多問題得以簡化。此外PeliCAN模式增加的各種功能，如：各種錯誤處理功能大大地提高了用戶程序處理各種通信錯誤的能力；支持熱插拔和自身信息接收功能，使用戶不必事先知道預(yù)設(shè)的波特率，從而大大地方便了通信的調(diào)試。