針對DSP運動控制器的CAN總線軟硬件設計

趙錦芝，楊 威

（中原工學院 機電學院，河南 鄭州450007）

隨著電工電子技術和信息技術的快速發展，各種科技產品功能變得越來越強大，設備也變得更加復雜。在自動控制領域，如電力電器控制、深空作業、自動駕駛、機器人控制等，TMS320LF2407A扮演著重要角色。當工控機所要控制的電機較多，或需要傳輸的數據量較大，實時性要求較高時，DSP運動控制器與上位機之間的通信將是設計人員必須考慮的問題。針對以上問題，本文提出了使用CAN（Controller Area Network）總線進行通信。CAN總線是目前唯一有國際標準的現場總線，它不僅價格低廉，結構靈活，尤其在強干擾的惡劣環境下仍具有很高的可靠性。CAN總線的通信速率最高可達1 Mb/s，此時的傳輸距離為40 m。如果傳輸距離比較遠，可適當地降低通信速率以增大傳輸距離[1]。CAN總線以上這些特性使其應用越來越廣泛。并且CAN總線是實現分布式控制的一種方式，比起集中式控制，分布式控制使控制系統變得簡單、安全可靠。因此，研究TMS320LF2407A的CAN總線通信的硬件接口電路的設計和其軟件的實現，將有很大的實際應用價值。CAN總線系統結構框圖如圖1所示，DSP運動控制器可以直接掛在用于CAN總線通信的兩根線上，最多可實現110個DSP運動控制器與上位機的通信。

1 硬件接口電路的設計

完整的CAN總線硬件接口電路如圖2所示，其主要由3部分組成，分別為CAN驅動器TJA1050、電氣隔離器（即雙通道數字式磁隔離器ADUM1201BRZ）以及未畫出的CAN控制器（即DSP控制芯片）。

如圖2所示，ADUM1201BRZ芯片的第2個引腳CANRX接TMS320LF2407A DSP的第70個引腳，ADUM1201BRZ芯片的第3個引腳CANTX接TMS320LF2407A DSP的第72個引腳。也可以接在其他DSP芯片CAN接口上或獨立的控制器SJA1000CAN上，使該電路具有很高的移植性和參考價值。

圖1 CAN總線系統結構框圖

圖2 TMS320LF2407A運動控制器的CAN總線硬件接口電路

1.1 CAN驅動器的設計

CAN驅動器是CAN控制器與物理總線之間的接口，具有CAN總線的差動發送和接收功能。現在市場上多用PCA82C250作為CAN總線驅動器，但是本文提出了使用TJA1050總線驅動器替代PCA82C250。因為TJA1050除了具有PCA82C250的主要特性以外，在某些方面的性能還作了很大的改善，如優化了輸出信號CANH和CANL之間的耦合，大大降低了信號的電磁輻射（EMI）；在DSP運動控制器未上電時，該節點不會干擾總線（對于未上電節點的性能作了優化）等。最重要的是，TJA1050和PCA82C250的封裝、引腳功能和芯片外圍電路基本相同，在大多情況下前者可以替換后者，使用戶在不改變PCB板的情況下就可以享受TJA1050所帶來的優勢[2-3]。

在數據傳輸時，當一個位從隱性切換為顯性時，需要額外的電流來驅動總線，由于受限于電壓調節器的調節速度，這時就需要一個旁路電容來穩定CAN電壓（+5 V），否則CAN電壓將會有一定的偏離。電壓不斷地偏離，就會產生震蕩電壓（惡性電壓），震蕩電壓會產生電磁輻射，進而影響通信。因此，如圖2所示添加旁路電容（C45）將非常重要，電容的大小由電壓調節器的性能而定，性能好的可適當小些，但至少要大于0.1μF。如圖2所示，電阻（R08）是作為CAN總線通信的終點電阻，其作用是匹配總線阻抗，提高數據通信的抗干擾性及可靠行。當CAN總線上只有一個DSP運動控制器時，DSP運動控制器上就必須有這個電阻，否則，不能正常地通信。當有兩個或兩個以上DSP運動控制器，其中一塊板上有這個電阻就可以完成通信。至于圖2中電阻R09大小的選擇可參照TJA1050數據手冊。

1.2 CAN電氣隔離器的設計

雖然CAN總線接口采用差分傳輸，使其具有一定的抗共模干擾能力，但是在復雜的應用場合下，各個節點之間可能存在很高的共模電壓。當共模電壓達到一定值時就會使CAN驅動器無法正常工作。因此，為了使DSP運動控制器能夠適應強干擾環境，或是在高性能要求下工作，就必須對CAN總線各個節點進行電氣隔離，即在CAN總線進入DSP運動控制器CAN_H、CAN_L的通信通道之前添加具有電氣隔離的芯片。以往大都使用6N137高速光電隔離芯片（最高速率為10 Mb/s），一個6N137芯片只能隔離一路通信通道，且6N137為8個引腳，再加上6N137芯片外圍的限流電阻，使得DSP板的CAN通信電路變得比較復雜，進而降低了電路的可靠性。本設計采用ADI公司推出的雙通道數字隔離器ADUM1201，它與6N137相比有更高的通信速率，最高可達到25 Mb/s；減少了CAN總線有效回路信號的傳輸延遲時間；具有更高的額定隔離電壓，是6N137的兩倍。ADUM1201還有體積小、性價比高、應用靈活、功耗低的特點[4-5]。ADUM1201的使用使得CAN總線接口電路更加簡單可靠。ADUM1201BRZ兩側電源和參考地之間需要接入0.01μF～0.1μF電容，以濾除高頻干擾，防止電磁輻射。在PCB布局時，電容與ADUM1201BRZ之間的距離最好在20 mm以內，以便達到更好的濾波效果。

雙通道數字式磁隔離器ADUM1201在CAN總線通信中的應用，不但提高了系統的性能，簡化了系統的結構，增加了系統的穩定性，而且還降低了系統的功耗，為CAN總線隔離的實現提供了一種相當好的解決方案。

1.3 CAN總線電源的電路設計

電氣隔離器件兩側所用電源VCC（+5 V）與CAN（+5 V）必須完全隔離，否則，電氣隔離將失去應有的作用。本文采用100μH的電感進行隔離。電源地與信號地也要分開，原因是：電源地上大的電流會在信號地上產生一個電壓差（可以解釋為：雖然導線阻值很小，但如果所流過的電流較大時，也會在此導線上產生電位差，這也叫共阻抗干擾），使信號地的真實電位高于0 V，如果信號地的電位較大時，有可能會使信號本來是高電平的，卻誤判為低電平，進而影響數據傳輸的準確性。CAN總線電源硬件電路如圖3所示。

圖3 CAN總線電源的電路

2 CAN總線軟件的實現

2.1 CAN初始化

在使用CAN通信之前，必須對DSP的一些寄存器進行設置，包括對位定時器的設置和郵箱初始化的設置。配置位定時器流程圖如圖4所示，初始化郵箱流程圖如圖5所示。

圖4 配置位定時器流程圖

圖5 初始化郵箱流程圖

CAN總線通信程序的初始化比較簡單，一般只需要修改兩處即可實現程序的移植。一處是BSR1、BCR2寄存器，以確定CAN總線通信的波特率，波特率的設置必須與上位機程序中波特率的設置大小一致，否則，通信的數據不對。另一處是修改MSGID2H寄存器，它是用來設置整個DSP運動控制器的ID號。如：MSGID2H=0x0004時，ID=1，每個DSP運動控制器的ID號不能重復，因為CAN適配器是靠ID號來識別通信的。

2.2 CAN數據的中斷、接收和發送

CAN數據的接收是通過中斷來實現的，至于數據的發送可以采用定時器定時發送，也可以在接收到數據后再發送。當DSP運動控制器向上位機發送數據時，只需把要發送的數據賦給MAX4n郵箱即可；當DSP運動控制器接收上位機的數據時，上位機只需把所要發送的數據通過CAN適配器賦給MAX2n郵箱即可[6]，這樣就實現了上位機與多個DSP運動控制器的通信。

3 實驗

根據圖1中的CAN總線適配器，試驗中采用武漢吉陽光電科技有限公司生產的GY8507 USB轉CAN總線接口適配器。圖6所示為上位機中用VC++6.0編寫的CAN通信人機界面[7]，該界面能夠實現兩組數據的發送和接收。用戶在發送數據之前首先點擊“CAN初始化”按鈕，待CAN初始化成功之后，再發送所需的數據。

圖6 CAN通信人機界面

CAN總線接口電路是CAN總線通信中的重要環節，其通信的可靠性與準確性直接影響功能的實現。本文設計的CAN總線接口電路簡單、安全可靠，為DSP運動控制器功能的實現提供了保障。更是實現了CAN總線通信軟件的模塊化設計，并用實驗驗證了其正確性，從而降低了開發難度，大大縮減了CAN總線通信程序實現的周期。

[1]夏繼強.現場總線工業控制網絡技術[M].北京.北京航空航天大學出版社，2005.

[2]NXP Semiconductors.Datasheet TJA1050，high speed CAN transceiver[Z]，2000.

[3]NXP Semiconductors.Data sheet PCA82C250，CAN controller[Z].2000.

[4]ISOCOM.Datasheet 6N137，high CMR，very high speed optically coupled isolator logic gate output[Z].2005.

[5]ADI公 司.Datasheet ADUM1201，dual-channel digital isolatorst[Z].2004.

[6]劉和平.TMS320LF240x DSP C語言開發應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.

[7]夏崇鐠，任海軍.Visual C++課程設計案例精編[M].北京：清華大學出版社，2008.