Cortex-M 3內(nèi)核芯片LM 3S2965的CAN總線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

郭振華

(上海耀華稱重系統(tǒng)有限公司,上海200126)

引 言

CAN總線具有通信速率高、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))屬于總線式通信網(wǎng)絡(luò),它是一種專門用于工業(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(qiáng)調(diào)工業(yè)自動(dòng)化的底層監(jiān)測及控制。它采用了最新的技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì),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。[1]

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(shí)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-M 3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(yùn)算能力。其中,LM 3S2000系列是針對控制器局域網(wǎng)(CAN)應(yīng)用方案而設(shè)計(jì)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)[2]。

目前,很多系統(tǒng)需要稱重?cái)?shù)據(jù)。本文介紹一種利用LM 3S2965芯片設(shè)計(jì)的CAN總線節(jié)點(diǎn)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)接入現(xiàn)有的分布式網(wǎng)絡(luò)中。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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 System,FDCS)結(jié)構(gòu),由CAN總控中心、控制節(jié)點(diǎn)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(gè)智能節(jié)點(diǎn)各自獨(dú)立完成數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)設(shè)定、運(yùn)行顯示控制等,通過CAN現(xiàn)場總線,在操作站和智能節(jié)點(diǎn)之間交換各種數(shù)據(jù)和管理控制信息。圖中的任何一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)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(gè)控制網(wǎng)絡(luò),總控中心就可以監(jiān)控、操作各個(gè)稱重單元的工作狀態(tài)。

圖1 分布式控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

本文利用TI公司生產(chǎn)的LM 3S2965設(shè)計(jì)了一種CAN總線系統(tǒng)智能節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)包括A/D轉(zhuǎn)換、顯示、按鍵輸入、CAN接口等多個(gè)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6N 137以及與微控制器LM 3S2965的接口部分。LM 3S2965通過內(nèi)置CAN控制器極大地簡化了硬件設(shè)計(jì)和軟件編程,加速了實(shí)現(xiàn)方案的設(shè)計(jì),且穩(wěn)定可靠性得到保證[3]。

圖2 CAN接口電路

為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力,LM 3S2965的TX0和RX0通過高速光耦6N137與CAN收發(fā)器SN65HVD1050D相連,很好地實(shí)現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)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隔離輸出的開關(guān)電源模塊實(shí)現(xiàn),這些部分雖然增加了節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜程度,但卻提高了節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)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路電路,必須接一個(gè)上拉電阻;第二,6N137內(nèi)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(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

CAN總線節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要包括3部分:CAN節(jié)點(diǎn)初始化、報(bào)文發(fā)送和報(bào)文接收。初始化程序設(shè)計(jì)對于CAN總線節(jié)點(diǎn)的正常工作相當(dāng)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、總線定時(shí)器、輸出控制寄存器和中斷允許寄存器的設(shè)置。

LM 3S2965及其系列芯片由廠家提供了底層的API[4],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(bào)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?yàn)榭梢员慌渲贸删哂袌?bào)文過濾器并能預(yù)載報(bào)文數(shù)據(jù),所以它能在總線上自動(dòng)發(fā)送和接收報(bào)文,并相應(yīng)地通知應(yīng)用。它能自動(dòng)地處理CRC的產(chǎn)生和檢查、錯(cuò)誤處理以及CAN報(bào)文的重發(fā)。

報(bào)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(gè)報(bào)文對象中的每一個(gè)都能被編程成可以處理一個(gè)獨(dú)立的報(bào)文ID,或能在同一個(gè)ID上被一起鏈接成一個(gè)幀序列。報(bào)文標(biāo)識符過濾器提供了能被編程為與任何或全部報(bào)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(shí)施一個(gè)中斷驅(qū)動(dòng)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(gè)可用的CAN端口,并且函數(shù)能與一個(gè)端口使用而不會與其他端口造成沖突。

默認(rèn)時(shí)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CAN Init()函數(shù)。這樣就能在使能CAN總線上的控制器前把報(bào)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(dāng)?shù)闹禃r(shí),應(yīng)該要調(diào)用CAN總線的CANSetBitTiming()函數(shù)。一旦調(diào)用完這兩個(gè)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(gè)CAN控制器,因此可以使用它來暫時(shí)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(gè)報(bào)文對象,在某些條件下這些報(bào)文對象能被編程為自動(dòng)發(fā)送和接收CAN報(bào)文。報(bào)文對象允許應(yīng)用程序自動(dòng)執(zhí)行一些操作而無需與微控制器進(jìn)行交互。

以下是這些操作的一些范例:

①立即發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀;

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

③接收一個(gè)特定的數(shù)據(jù)幀;

④接收與某個(gè)標(biāo)識符樣式匹配的數(shù)據(jù)幀。

為了把報(bào)文對象配置成可以執(zhí)行這些操作中的任何一個(gè)操作,應(yīng)用程序必須首先要使用CANMessageSet()來設(shè)置32個(gè)報(bào)文對象中的其中一個(gè)。這個(gè)函數(shù)能把一個(gè)報(bào)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(gè)報(bào)文對象可以被配置成在發(fā)送或接收CAN報(bào)文時(shí)產(chǎn)生中斷。

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

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

32個(gè)報(bào)文對象是相同的,優(yōu)先級除外。最小編號的報(bào)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(shí)間準(zhǔn)備好多個(gè)操作,那么具有最高優(yōu)先級的報(bào)文對象將會首先發(fā)生;第二種,多個(gè)報(bào)文對象正在掛起中斷時(shí),如果讀取中斷狀態(tài),則具有最高優(yōu)先級的報(bào)文對象首先出現(xiàn)。由應(yīng)用負(fù)責(zé)把32個(gè)報(bào)文對象作為一個(gè)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(gè)報(bào)文對象發(fā)送一個(gè)報(bào)文時(shí);

②當(dāng)任何一個(gè)報(bào)文對象接收一個(gè)報(bào)文時(shí);

③滿足警告條件,如一個(gè)錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器達(dá)到了限值,或出現(xiàn)多個(gè)總線錯(cuò)誤時(shí);

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

圖3是CAN總線節(jié)點(diǎn)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,ulM sgID用作11或29位標(biāo)識符的CAN報(bào)文標(biāo)識符;u lM sgIDM ask為在使能標(biāo)識符過濾器時(shí)所使用的報(bào)文標(biāo)識符屏蔽;ulFlags保存多個(gè)狀態(tài)標(biāo)志和tCANObjFlags所指定的設(shè)置;ulM sgLen是報(bào)文對象中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù);pucM sgData是指向報(bào)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(gè)CAN報(bào)文對象相關(guān)的項(xiàng)目進(jìn)行的壓縮?？梢灾苯訉⑦@個(gè)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:

圖3 軟件流程

//使能CAN0的中斷類型,并指出哪些信號會觸發(fā)中斷

CANConfigureNetwork();

//配置節(jié)點(diǎn)對象

IntEnable(INT_CAN0);

//使能CAN0中斷,此處真正開始工作,上面都是為此做準(zhǔn)備

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:void CANConfigureNetwork(void){

//對象1,用于接收數(shù)據(jù)

g_MsgObject1.ulMsgID=MSGOBJ_ID_1;

g_MsgObject1.ulMsgIDMask=0;

g_MsgObject1.ulFlags=MSG_OBJ_RX_INT_ENABLE;

g_MsgObject1.ulMsgLen=8;

g_MsgObject1.pucMsgData=g_pucdata1;

CANMessageSet(CAN0_BASE,MSGOBJ_NUM_1,&g_MsgObject1,MSG_OBJ_TYPE_RX);

//對象2,用于發(fā)送數(shù)據(jù)

g_MsgObjectQueryCharge.ulM sgID=MSGOBJ_ID_QueryCharge;

g_M sgObjectQueryCharge.ulMsg IDMask=0;

g_MsgObjectQueryCharge.ulFlags=MSG_OBJ_TX_INT_ENABLE;

g_MsgObjectQueryCharge.ulMsgLen=8;

g_MsgObjectQueryCharge.pucMsgData=g_pucdata2;}

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(gè)對象,一個(gè)用于發(fā)送數(shù)據(jù),一個(gè)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KeilC 3.78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) 語

本文介紹的CAN總線接口節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)非常方便,硬件電路簡單,軟件設(shè)計(jì)模塊化,可以應(yīng)用此方案設(shè)計(jì)實(shí)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。

[1]陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用[M]:北京:清華大學(xué)出版社,1999.

[2]TI.Stellaris LM3S2965Microcontroller Datasheet,2009-04-01.

[3]TI.Stellaris LM 3S2965 Evaluation Board User's Manual,2009-02-02.

[4]TI.Stellaris Peripheral Driver Library User's Manual,2009-04-10.