CAN控制器SJA1000及其應(yīng)用

摘要：介紹CAN控制器SJA1000的特點、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及SJA1000的寄存器結(jié)構(gòu)及地址分配；CAN協(xié)議通信格式。并以獨立CAN控制器SJA1000為例，結(jié)合CAN協(xié)議說明了一種通用型CAN總線的開發(fā)與設(shè)計。

關(guān)鍵詞：CAN總線索SJA1000單片機

1 SJA1000簡介

SJA1000是PHILIPS公司早期CAN控制器PCA82C200的替代品，功能更強，具有如下特點：

①完全兼容PCA82C200及其工作模式，即BASIC CAN模式；

②具有擴展的接收緩沖器，64字節(jié)的FIFO結(jié)構(gòu)；

③支持CAN2.0B；

④支持11位和29位識別碼；

⑤位速率可達1Mbit/s；

⑥支持peliCAN模式及其擴展功能；

⑦24MHz的時鐘頻率；

⑧支持與不同微處理器的接口；

⑨可編程的CAN輸出驅(qū)動配置；

⑩增強了溫度范圍(-40℃~+125℃)。

2 SJA1000內(nèi)部結(jié)構(gòu)

SJA1000的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由接口管理邏輯IML、信息緩沖器(含發(fā)送緩沖器TXB和接收緩沖器RXFIFO)、位流處理器BSP、接收過濾器ASP、位時序處理邏輯BTL、錯誤管理邏輯EML、內(nèi)部振蕩器及復(fù)位電路等構(gòu)成。IML接收來自CPU的命令，控制CAN寄存器的尋址并向主控器提供中斷信息及狀態(tài)信息。CPU的控制經(jīng)IML把要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入TXB，TXB中的數(shù)據(jù)由BSP處理后經(jīng)BTL輸出到CAN BUS。BTL始終監(jiān)視CAN BUS，當檢測到有效的信息頭隱性電平－控制電平的轉(zhuǎn)換時啟動接收過程，接收的信息首先要由位流處理器BSP處理，并由ASP過濾，只有當接收的信息的識別碼與ASP檢驗相符時，接收信息才最終被寫入RXB或RXFIFO中。RXFIFO最多可以緩存64字節(jié)的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可被CPU讀取。EML負責傳送層中調(diào)制器的錯誤管制，它接收BSP的出錯報告，促使BSP和IML進行錯誤統(tǒng)計。

3 SJA1000的寄存器結(jié)構(gòu)及地址分配

表1是工作在BASIC CAN模式下的SJA1000的寄存器結(jié)構(gòu)及地址分配表。CAN控制器工作模式的設(shè)定、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收等都是通過這些寄存器來實現(xiàn)的。時鐘分頻寄存器OCR用于設(shè)定SJA1000工作于BASIC CAN還是PeliCAN，還用于CLKOUT引腳輸出時鐘頻率的設(shè)定，在上電初始化控制器時必須首先設(shè)定；在工作模式下，控制寄存器CR用于控制CAN控制器的行為，可讀可寫；命令寄存器CMR只能寫；狀態(tài)寄存器SR只能讀；而IR、ACR、AMR、BTR0、BTR1、OCR在工作模式下讀寫無意義。通常，在系統(tǒng)初始化時，先使CR．0=1，SJA1000進入復(fù)位模式。在此模式下IR、ACR、AMR、BTR0、BTR1及OCR均可讀可寫，此時設(shè)置相應(yīng)的初值。當退出復(fù)位模式時，SJA1000即按復(fù)位時設(shè)定的相應(yīng)情況工作于工作模式，除非再次使芯片復(fù)位，否則上次設(shè)定的值不變。當需要發(fā)送信息時，若發(fā)送緩沖器空閑，由CPU控制信息寫入TXB，再由CMR控制發(fā)送；當接收緩沖器RXFIFO未滿且接收信息通過了ASP，則接收到的信息被寫入RXFIFO?？赏ㄟ^兩種方法讀取接收到的信息。一種方法是，在中斷被使能的情況下，由SJA1000向CPU發(fā)中斷信號，CPU通過SR及IR可以識別該中斷，并讀取數(shù)據(jù)釋放接收緩沖器；另一種方法是直接讀取SR，查詢RXFIFO的狀態(tài)，當有信息接收時，讀取該信息并釋放接收緩沖器。當接收緩沖器中有多條信息時，當前的信息被讀取后，接收緩沖器有效信號會再次有效，通過中斷方式或查詢方式可以再次讀取信息，直到RXFIFO中的信息被全部讀出為止。當RXFIFO已滿，如還有信息被接收，此接收信息不被保存，且發(fā)出相應(yīng)的緩沖器溢出信號供CPU讀取處理。

4 CAN協(xié)議通信格式

CAN協(xié)議通信格式中有四種幀格式：數(shù)據(jù)幀、遠程幀、出錯幀和超載幀。其中數(shù)據(jù)幀和遠程幀的發(fā)送需要在CPU控制下進行，而出錯幀和超載幀的發(fā)送則是在錯誤發(fā)生或超載發(fā)生時自動進行的。因此人們更關(guān)心前兩個幀的結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

一個完整的數(shù)據(jù)幀格式，除仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場外都是CAN控制器發(fā)送數(shù)據(jù)時自動加上去的，而仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場則必須由CPU控制給出。用SJA1000時，寫出發(fā)送緩沖器的TXID0、TXID1即設(shè)定了相應(yīng)的仲裁場和控制場。TXID0即為仲裁場的高8位，TXID1的高3位為仲裁場的低3位，仲裁場共11位。TXID1的第5位為RTR位，即遠程請求位，在數(shù)據(jù)幀中為0；TXID1低四位標示數(shù)據(jù)場所含字節(jié)數(shù)的多少，稱為DLC。RTR與DLC共同構(gòu)成控制場。發(fā)送的數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)場，最多不超過8個字節(jié)。遠程幀與數(shù)據(jù)幀的形式差別在于沒有數(shù)據(jù)場。除此形式上的差別外，在遠程幀中RTR位須置1，表示請求數(shù)據(jù)源節(jié)點向它的目的節(jié)點(即發(fā)送遠程幀的節(jié)點)發(fā)送數(shù)據(jù)。源節(jié)點接收到該幀后，把要發(fā)送數(shù)據(jù)用數(shù)據(jù)幀發(fā)給目的節(jié)點，完成數(shù)據(jù)請求。CRC場與ACK場都是在低層次上為提高傳輸?shù)目煽啃远詣舆M行的。任何幀與幀之間是幀間空間。

5 設(shè)計實例

5.1 整體設(shè)計思路

這里用SJA1000與AT89C51芯片設(shè)計一種具有通用性的工業(yè)測控系統(tǒng)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

CAN總線是一種多主總線，理論上任何一個節(jié)點都可以作為主節(jié)點。在本系統(tǒng)中設(shè)置與上位PC機相連的節(jié)點1和節(jié)點2為上位節(jié)點，其它節(jié)點為底層節(jié)點。在任務(wù)比較簡單的系統(tǒng)中，也可以只設(shè)置一臺上位PC機，PC機通過串口與節(jié)點上的CPU通信，CPU再與CAN控制器SJA1000通信，實現(xiàn)信息在CAN BUS上的發(fā)送與接收。節(jié)點1與節(jié)點2的結(jié)構(gòu)相同，而底層節(jié)點根據(jù)應(yīng)用的不同具有不同的功能。但它們都具有與CAN BUS通信的能力，上傳數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。

5.2 電路原理圖

節(jié)點1與節(jié)點2的原理圖如圖4所示。AT89C51通過MAX232與PC機串行通信。設(shè)置SJA1000工作于Intel模式，由PC機發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入AT89C51，再通過P0口及控制信號將數(shù)據(jù)寫入SJA1000并通過CAN收發(fā)器發(fā)送。接收數(shù)據(jù)是通過中斷進行的，CAN BUS的數(shù)據(jù)經(jīng)CAN接口芯片82C250接收并寫入SJA1000的RXFIFO，然后通過中斷提請CPU讀取。讀取的數(shù)據(jù)由RS232口上傳送給PC機。

在本系統(tǒng)中其它節(jié)點不與PC機通信，此時AT89C51除與SJA1000相接的口線外還剩余口線，可以做其它用途。如用于數(shù)據(jù)的采集，則與A/D轉(zhuǎn)換芯片相接即可；如與控制相關(guān)，則與控制口相接即可，這樣一來可以靈活地構(gòu)成各種系統(tǒng)。

5.3 軟件設(shè)計

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為兩方面：(1)PC機軟件設(shè)計，可以用VC++、VB，也可以使用工控軟件完成。如只用于監(jiān)視系統(tǒng)，設(shè)計的重點在于PC機與節(jié)點之間的通信。(2)節(jié)點上CPU的軟件設(shè)計。不論是節(jié)點1、2或是其它底層節(jié)點，都要用到CAN通信，因此都要設(shè)置CAN控制器。其初始化的流程圖如圖5所示。

具體的例程如下：
MOV DPTR #CR ；控制寄存器CR的地址送DPTR

MOV A #01H

MOVX @DPTR A ；進入復(fù)位模式

MOV DPTR #CDR

MOV A #00H

MOVX @DPTR A ；選擇BASIC CAN模式、時鐘不輸出

MOV A #NODECODE

MOVX @DPTR A ；節(jié)點號NODECODE寫入ACR

MOVX DPTR #AMR

MOV A #00H

MOV @DPTR A ；AMR置為0，當且僅當RXID0=ACR時接收數(shù)據(jù)。

MOV DPTR #BTR0;設(shè)定總線時序寄存器BTR0，系統(tǒng)采用１２ＭＨｚ晶振

MOV A #85H ；分頻后總線時鐘頻率為2MHz

MOVX @DPTR A ；同步跳轉(zhuǎn)寬度為3tscl

MOV DPTR #BTR1 ；設(shè)定總線時序寄存器BTR1

MOV A #0B4H ；位同步時間為1個tscl 采樣開始位置TSEG1=5tscl

MOVX @DPTR A ;TSEG2=4tscl每一位時間10tscl(200kHz),每位采樣3次

MOV DPTR #OCR ；設(shè)置輸出控制寄存器

MOV A #1AH ；數(shù)據(jù)從TX0按正常輸出模式同極性輸出

MOV @DPTR A ；TX1 不用

MOV DPTR #CR ；初始化完成，使控制器退出復(fù)位模式，進入工作模式工作。

MOV A #06H

MOV @DPTR A

該初始化程序使SJA1000工作在 BASIC CAN模式下，CAN總線位速率為200kHz。根據(jù)總線傳輸?shù)木嚯x不同速度可以調(diào)整。為提高其抗干擾性能，還可以在SJA1000與CAN總線收發(fā)器之間加光隔。各節(jié)點CPU的其它軟件設(shè)計應(yīng)視節(jié)點的功能而定，不再贅述。

該系統(tǒng)用于城市區(qū)域交通中心信息采集及處理，已取得很好效果。由于傳輸距離較遠，設(shè)定速率為10kHz，但可靠性較強，系統(tǒng)成本低廉。

CAN總線以其優(yōu)良的性能使其應(yīng)用方興未艾，以SJA1000為控制器構(gòu)成各種CAN總線系統(tǒng)方便、簡單、成本低廉，這也是開發(fā)與應(yīng)用其它CAN總線產(chǎn)品的基礎(chǔ)。

參考文獻

1 鄔寬明．CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計． 北京：北京航空航天大學(xué)，2001．3

2 DATA SHEET SJA1000 CAN Stand-alone controller．PHILIPS Semiconductors 公司，2000.4

3 王東威，顧宏，洪義平．基于CAN總線的安全巡檢系統(tǒng)的信息采集及處理．電子產(chǎn)品世界， 2002(4)