引言

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network, CAN）的簡稱，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)了的，并最終成為國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO118?8）。是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。 在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機(jī)械車輛設(shè)計的J1939協(xié)議。近年來，其所具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到重視，被廣泛應(yīng)用于汽車計算機(jī)控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)和振動大的工業(yè)環(huán)境。

CAN總線具有通信速率高、可靠性高、連接方便和性能價格比高等諸多特點。CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)）屬于總線式通信網(wǎng)絡(luò)，它是一種專門用于工業(yè)自動化領(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(qiáng)調(diào)工業(yè)自動化的底層監(jiān)測及控制。它采用了最新的技術(shù)及獨特的設(shè)計，可靠性和性能超過了已陳舊的現(xiàn)場通信技術(shù)，如RS485、BITBUS等。

多數(shù)采用微處理器結(jié)合CAN控制器芯片的硬件方案，軟件實現(xiàn)上是對CAN控制器芯片的寄存器編程，比較繁瑣。Luminary Micro公司（現(xiàn)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?yīng)用方案帶來了高性能的32位運算能力。其中，LM3S2000系列是針對控制器局域網(wǎng)（CAN）應(yīng)用方案而設(shè)計的一組芯片，它在Stellaris系列芯片的基礎(chǔ)上擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)。

目前，很多系統(tǒng)需要稱重數(shù)據(jù)。本文介紹一種利用LM3S2965芯片設(shè)計的CAN總線節(jié)點的軟硬件方案，可以直接將儀表與傳感器組成的稱重系統(tǒng)接人現(xiàn)有的分布式網(wǎng)絡(luò)中。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于CAN總線的分布式控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖1所示。采用現(xiàn)場總線式集散控制系統(tǒng)（Field Distributed Control Svstem，F(xiàn)DCS）結(jié)構(gòu)，由CAN總控中心、控制節(jié)點以及CAN現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)組成。CAN總控中心主要完成在線系統(tǒng)監(jiān)控，多個智能節(jié)點各自獨立完成數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)設(shè)定、運行顯示控制等，通過CAN現(xiàn)場總線，在操作站和智能節(jié)點之間交換各種數(shù)據(jù)和管理控制信息。圖中的任何一個控制節(jié)點都可能是稱重系統(tǒng)，由稱重傳感器和稱重儀表組成。通過這個控制網(wǎng)絡(luò)，總控中心就可以監(jiān)控、操作各個稱重單元的工作狀態(tài)。

本文利用TI公司生產(chǎn)的LM3S2965設(shè)計了一種CAN總線系統(tǒng)智能節(jié)點。節(jié)點包括A／D轉(zhuǎn)換、顯示、按鍵輸入、CAN接口等多個部分，根據(jù)系統(tǒng)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通過內(nèi)置CAN控制器極大地簡化了硬件設(shè)計和軟件編程，加速了實現(xiàn)方案的設(shè)計，且穩(wěn)定可靠性得到保證。

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

CAN總線有如下基本特點

廢除傳統(tǒng)的站地址編碼，代之以對通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，可以多主方式工作；

采用非破壞性仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡(luò)上傳送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，有效避免了總線沖突；

采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，數(shù)據(jù)傳輸時間短，受干擾的概率低，重新發(fā)送的時間短；

每幀數(shù)據(jù)都有CRC校驗及其他檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?，適于在高干擾環(huán)境下使用；

節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下，具有自動關(guān)閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上其他操作不受影響；

◎可以點對點，一對多及廣播集中方式傳送和接受數(shù)據(jù)。

CAN總線的優(yōu)點

具有實時性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點；

采用雙線串行通信方式，檢錯能力強(qiáng)，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作；

具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能，多個控制模塊通過CAN 控制器掛到CAN-bus 上，形成多主機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)；

可根據(jù)報文的ID決定接收或屏蔽該報文；

可靠的錯誤處理和檢錯機(jī)制；

發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)；

節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動退出總線的功能；

報文不包含源地址或目標(biāo)地址，僅用標(biāo)志符來指示功能信息、優(yōu)先級信息。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

CAN總線節(jié)點的軟件設(shè)計主要包括3部分：CAN節(jié)點初始化、報文發(fā)送和報文接收。初始化程序設(shè)計對于CAN總線節(jié)點的正常工作相當(dāng)重要。它主要包括工作方式、時鐘輸出寄存器、接收屏蔽寄存器、接收代碼寄存器、總線定時器、輸出控制寄存器和中斷允許寄存器的設(shè)置。

LM3S2965及其系列芯片由廠家提供了底層的API，用于訪問Stellaris CAN模塊的函數(shù)集。這些函數(shù)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，大大簡化了編程的復(fù)雜性，也增強(qiáng)了軟件的移植性。

Stellaris CAN模塊提供了CAN數(shù)據(jù)鏈接層的硬件處理。因為可以被配置成具有報文過濾器并能預(yù)載報文數(shù)據(jù)，所以它能在總線上自動發(fā)送和接收報文，并相應(yīng)地通知應(yīng)用。它能自動地處理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總線上的CAN模塊的主接口。這32個報文對象中的每一個都能被編程成可以處理一個獨立的報文ID，或能在同一個ID上被一起鏈接成一個幀序列。報文標(biāo)識符過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型。CAN API提供了應(yīng)用所需要用來實施一個中斷驅(qū)動CAN堆棧的全部函數(shù)?？墒褂眠@些函數(shù)控制Stellaris微控制器的任何一個可用的CAN端口，并且函數(shù)能與一個端口使用而不會與其他端口造成沖突。

默認(rèn)時CAN模塊被禁止，因此在調(diào)用任何其他的CAN函數(shù)前，必須要先調(diào)用CANInit（）函數(shù)。這樣就能在使能CAN總線上的控制器前把報文對象初始化到一個安全的狀態(tài)。同樣，在使能CAN控制器前，必須對位時序值進(jìn)行編程。在位時序值被編程為一個適當(dāng)?shù)闹禃r，應(yīng)該要調(diào)用CAN總線的CANSetBitTiming（）函數(shù)。一旦調(diào)用完這兩個函數(shù)，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(diào)用CANDisable（）并不會重新初始化一個CAN控制器，因此可以使用它來暫時把CAN控制器從總線上移除。

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

CAN 總線的位數(shù)值表示與通信距離 CAN 總線上用顯性（Dominant）和隱性（Recessive）兩個互補的邏輯值 表示 0 和 1。當(dāng)在總線上出現(xiàn)同時發(fā)送顯性位和隱性位時，總線上數(shù)值 將出現(xiàn)顯性。如圖所示，VCAN-H 和 VCAN-L 為 CAN 總線收發(fā)器與總線之間 的兩接口引腳，信號是以兩線之間的“差分”電壓形式出現(xiàn)。在隱性狀 態(tài)，VCAN-H 和 VCAN-L 被固定在平均電壓附近，Vdiff 近似于 0。在總線空閑 或隱性位期間，發(fā)送隱性位。顯性位以大于最小閾值的差分電壓表示。

以下是這些操作的一些范例：

①立即發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀；

②當(dāng)在CAN總線上發(fā)現(xiàn)一個正在匹配的遠(yuǎn)程幀時，發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀；

③接收一個特定的數(shù)據(jù)幀；

④接收與某個標(biāo)識符樣式匹配的數(shù)據(jù)幀。

為了把報文對象配置成可以執(zhí)行這些操作中的任何一個操作，應(yīng)用程序必須首先要使用CANMessageSet（）來設(shè)置32個報文對象中的其中一個。這個函數(shù)能把一個報文對象配置成可以發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)。每一個報文對象可以被配置成在發(fā)送或接收CAN報文時產(chǎn)生中斷。

當(dāng)從CAN總線接收到數(shù)據(jù)時，應(yīng)用程序可以使用CANMessageGet（）函數(shù)讀取到所接收到的報文。同樣，該函數(shù)也能讀取這樣一個報文：在改變報文對象的配置前，報文已被配置以便定位一個報文結(jié)構(gòu)。使用這個函數(shù)讀取報文對象，將會清除任何報文對象中正在掛起的中斷。

一旦已使用CANMessageSet（）來完成對一個報文對象的配置，那么此函數(shù)分配報文對象并繼續(xù)執(zhí)行其編程功能，除非通過調(diào)用ANMessage-Clear（）將其釋放。在對報文對象進(jìn)行新配置前，無需請求應(yīng)用程序清除報文對象，因此每次調(diào)用CANMessageSet（）時，它將會覆蓋任何之前被編程的配置。

32個報文對象是相同的，優(yōu)先級除外。最小編號的報文對象具有最高的優(yōu)先級。優(yōu)先級以兩種方式影響操作：第一種，如果在同一時間準(zhǔn)備好多個操作，那么具有最高優(yōu)先級的報文對象將會首先發(fā)生；第二種，多個報文對象正在掛起中斷時，如果讀取中斷狀態(tài)，則具有最高優(yōu)先級的報文對象首先出現(xiàn)。由應(yīng)用負(fù)責(zé)把32個報文對象作為一個源來管理，并確定分配和釋放它們的最佳途徑。

CAN控制器在下列條件下能夠產(chǎn)生中斷：

①當(dāng)任何一個報文對象發(fā)送一個報文時；

②當(dāng)任何一個報文對象接收一個報文時；

③滿足警告條件，如一個錯誤計數(shù)器達(dá)到了限值，或出現(xiàn)多個總線錯誤時；

④滿足控制器錯誤條件，如進(jìn)入總線關(guān)閉狀態(tài)時。

圖3是CAN總線節(jié)點的軟件流程。其中的對象就是一組數(shù)據(jù)的信息，包括下面結(jié)構(gòu)體的信息：

其中，ulMsglD用作11或29位標(biāo)識符的CAN報文標(biāo)識符；ulMsgIDMask為在使能標(biāo)識符過濾器時所使用的報文標(biāo)識符屏蔽；ulFlags保存多個狀態(tài)標(biāo)志和tCANObjFlags所指定的設(shè)置；ulMsgLen是報文對象中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)；pucMsgData是指向報文對象的數(shù)據(jù)的指針。

此結(jié)構(gòu)是對與CAN控制器中一個CAN報文對象相關(guān)的項目進(jìn)行的壓縮?？梢灾苯訉⑦@個對象的信息填充，即進(jìn)行對象的賦值工作。下面的代碼是程序中CAN接口部分的初始化部分：

上面的這些函數(shù)都已經(jīng)通過提供的API函數(shù)完成工作，CANConfigureNetwork函數(shù)要自己編寫，代碼如下：

這里僅僅是對前文介紹的對象進(jìn)行賦值，是將系統(tǒng)中真正用到的對象配置成我們需要的對象（包括是發(fā)送還是接收）。此處鑒于篇幅只給出了兩個對象，一個用于發(fā)送數(shù)據(jù)，一個用于接收數(shù)據(jù)。上面的函數(shù)設(shè)置好后就可以通過CAN中斷控制器來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。上述程序代碼在Keil C3.78版本上調(diào)試編譯通過，并且已經(jīng)成功用于產(chǎn)品中。

結(jié)束語

本文介紹的CAN總線接口節(jié)點設(shè)計方案實現(xiàn)非常方便，硬件電路簡單，軟件設(shè)計模塊化，可以應(yīng)用此方案設(shè)計實用的系統(tǒng)。本文的接口就是稱重儀表的一部分，可以直接將儀表與傳感器組成的稱重系統(tǒng)接入現(xiàn)有的分布式網(wǎng)絡(luò)中。