基于AVR單片機的某車型CAN總線系統(tǒng)設計
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引言
現(xiàn)場總線技術[1]是目前自動化控制領域發(fā)展比較迅速的一門技術，其中CAN（Controller Area Network）總線[2]是在國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。近幾年隨著汽車電子行業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代汽車中CAN總線已經成為必須采用的裝置之一。本文以ATMEL公司新近生產的一款內置CAN控制器的單片機——AT90CAN128為基礎，設計了一款車載CAN總線系統(tǒng)，通過CAN智能測控儀表對車中部分單元參數(shù)量進行實時監(jiān)控，使各單元之間協(xié)調運轉。另外，傳輸線束大大簡化，可靠性得到了極大的提高，有效節(jié)約了線束安裝空間和系統(tǒng)成本。
1 AT90CAN128特性概述
1．1 基本特性
AT90CAN128[3]是基于AVR RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器，它采用了先進的指令集以及單周期指令執(zhí)行時間，其數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS/MHz，其內核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。所有寄存器都直接與ALU相連接。通過將8位RISC CPU與系統(tǒng)內可編程的Flash集成在一個芯片內，為許多嵌入式控制應用提供了靈活而低成本的方案。
1．2 內置CAN控制器概述
AT90CAN128內置有完全符合CAN2.0A和2.0B標準協(xié)議的CAN控制器。采用MOb（消息對象）方式進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，共有15個MOb，它們具有相同的屬性：有11位標識符（2.0A協(xié)議），也可擴展至29位（2.0B議）；8位數(shù)據(jù)緩沖（靜態(tài)分配）；Tx，Rx幀
緩沖或自動響應配置；時間標識。CAN控制器的結構如圖1所示。
圖1、CAN控制器結構
MOb是一個CAN消息幀的描述符。它包括處理一個CAN消息幀的所有信息。這意味著一個MOb可以看成一個對象，來描述一條CAN消息。MOb的數(shù)目是從0到14。它們相互獨立，但在多重比較的時候，低位的MOb會獲得優(yōu)先權。每個MOb都被安置在一個頁中來保存。頁的序號就是MOb的序號。
2 車載CAN總線控制系統(tǒng)[4]的設計
由于對實時性要求比較高，所以采用高速CAN總線，信息傳輸速度為500kbps，連接的主要對象有：駕駛員計算機、發(fā)動機、自動變速器、安全氣囊、儀表信號采集系統(tǒng)、聯(lián)合制動系統(tǒng)等。由于各個節(jié)點作用不同，所以在硬件搭建和軟件設計以及通信協(xié)議的制定上都采用了相應的方案。下面以聯(lián)合制動單元為例，做具體分析。
聯(lián)合制動單元接收由駕駛員計算機終端發(fā)送的CAN總線消息命令，根據(jù)對液力制動扭矩、機械制動扭矩、合成扭矩等參數(shù)進行檢測的狀態(tài)，經過電液控制算法計算，實現(xiàn)前驅、后驅制動控制。對正常制動回路油位、緊急制動回路油位的報警等信息，通過CAN總線反饋給駕駛員計算機終端。
2．1 聯(lián)合制動單元硬件電路組成
以AT90CAN128單片機作為控制系統(tǒng)核心，外圍設有8路光隔模擬量輸入、4路模擬量輸出、多路光隔開關量輸入、輸出、LED報警及CAN總線收發(fā)器，總線的接口芯片選用的是Philips公司的PCA82C250。具體結構見圖2。
圖2、制動單元硬件框圖
2．2 通信協(xié)議制定
2．2．1 各終端消息標識符的定義
表1定義了駕駛員計算機終端及聯(lián)合制動單元之間相互通訊的消息標識符。
表1、各終端的消息標識符
采用CAN擴展幀的29位標識符進行定義，其中P為3位優(yōu)先級；R為保留擴展位；8位的BW為報文類型代碼；8位的BD為目標地址或報文類型擴展碼；8位的BY為發(fā)送報文源地址。部分設備節(jié)點名稱和分配地址如下：主駕駛員終端地址10、副駕駛員終端地址20、聯(lián)合制動單元地址30。
2．2．2 各消息類型和命令值內容的定義
駕駛員計算機終端對聯(lián)合制動單元的控制消息內容為2個字節(jié)——命令類型和命令值。命令類型包括：狀態(tài)查詢命令（數(shù)據(jù)0x1，命令值0x0）、前/后驅制動命令（數(shù)據(jù)0x2/0x3，命令值0x0）、聯(lián)合制動單元前/后驅制動信息確認（數(shù)據(jù)0x4/0x5，命令值0x0）等。
聯(lián)合制動單元提供給駕駛員計算機終端的消息內容包括：聯(lián)合制動單元狀態(tài)信息（7字節(jié)，分別為液力制動扭矩、機械制動扭矩、合成扭矩、速度以及緊急回路和正常油壓的數(shù)值，以及正常制動回路油位和緊急制動回路油位的報警狀態(tài)）、聯(lián)合制動單元報警信息（2字節(jié)，分別為正常制動回路油位報警和緊急制動回路油位的報警）、聯(lián)合制動單元制動返回消息（2字節(jié)，分別為收到的前驅或后驅制動命令的命令數(shù)據(jù)和命令值）等。
2．3 軟件設計（CAN總線通訊部分）
2．3．1 初始化部分
初始化前將CAN通用控制寄存器的最高位置1（復位模式）。完成后，回到操作模式。
下面給出了CAN控制器的初始化程序：
void CAN_INIT ( void )
{
CANGCON = 0x80 ; /*進入復位模式并且復位MOb*/
while ( ENFG == 1 ) ; /*測試CANGSTA中的ENFG位是否為0*/
CANGIE = 0xB0 ; /*使能所有中斷及接收、發(fā)送中斷*/
CANIE2 = 0xFF ; /*MOb 0~7中斷使能*/
CANIE1 = 0x00 ; /*MOb 8~14中斷禁止*/
CANBT1 = 0x02 ; /*設置波特率為500kbps*/
CANBT2 = 0x20 ;
CANBT3 = 0x01 ;
CANTCON = 0x8F ; /*設置定時器預定標*/
/*以“聯(lián)合制動單元狀態(tài)查詢消息”為例*/
CANPAGE = TX_PAGE ; /*指定此消息的MOb頁（寄存器中的高4位）*/
CANCDMOB = 0x17 ; /*禁止狀態(tài)，IDE位為1表示擴展幀，數(shù)據(jù)長度代碼為7*/
CANIDT1 = 0x84 ; /*標識符設置*/
CANIDT2 = 0xB1 ;
CANIDT3 = 0x18 ;
CANIDT4 = 0xF2 ;
CANIDM1 = 0xFF ; /*標識符屏蔽設置*/
CANIDM2 = 0xFF ;
CANIDM3 = 0xFF ;
CANIDM4 = 0xFF ;
CANGCON = 0x02 ; /*進入操作模式*/
While ( ENFG == 0 ) ; /*測試CANGSTA中的ENFG位是否為1*/
}
2．3．2 消息的發(fā)送部分
消息的發(fā)送均采用中斷方式實現(xiàn)。首先通過設置CANPAGE寄存器來指定被發(fā)送的頁數(shù)，將數(shù)據(jù)裝載到CANMSG寄存器中，然后由CANCDMOB寄存器來控制發(fā)送動作，將消息發(fā)送出去，同時將觸發(fā)CANSTMOB中的TXOK中斷。
下面以協(xié)議中的“聯(lián)合制動單元狀態(tài)查詢命令”為例，給出了發(fā)送程序：
void CAN_TX ( void )
{
CANPAGE = TX_PAGE ; /*指定此消息的MOb頁（寄存器中的高4位）*/
CANMSG = 0x01 ; /*裝載消息數(shù)據(jù)*/
CANMSG = 0x00 ; /*裝載消息命令值*/
CANCDMOB = 0x52 ; /*發(fā)送狀態(tài)，IDE位為1表示擴展幀，數(shù)據(jù)長度代碼為2*/
}
void CAN_TX_INTER ( void ) /*發(fā)送中斷子程序*/
{
If ( ( CANSTMOB 0x40 ) == 0x40 ) /*發(fā)送中斷*/
{
CANSTMOB = 0xBF ; /*清TXOK位*/
CANCDMOB = 0x12; /*停止發(fā)送*/
}
}
2．3．3 消息的接收部分
消息的接收同樣采用中斷方式實現(xiàn)。先設置CANPAGE寄存器來指定接收的頁數(shù)，隨后由CANCDMOB寄存器來控制接收動作，當有消息到達時，將觸發(fā)CANSTMOB中的RXOK中斷，消息中的數(shù)據(jù)將被裝載到CANMSG寄存器中。
下面以協(xié)議中的“接收聯(lián)合制動單元狀態(tài)信息”為例，給出了接收程序：
void CAN_RX ( void )
{
CANPAGE = RX_PAGE ; /*指定此消息的MOb頁（寄存器中的高4位）*/
CANCDMOB = 0x97 ; /*接收狀態(tài)，IDE位為1表示擴展幀，數(shù)據(jù)長度代碼為7*/
}
void CAN_RX_INTER ( void ) /*接收中斷子程序*/
{
If ( ( CANSTMOB 0x20 ) == 0x20 ) /*接收中斷*/
{
CANSTMOB = 0xDF ; /*清RXOK*/
For ( i = 0 ; i 7 ; i++ )
{
MObData [ RX_PAGE ] [ i ] = CANMSG ; /*裝載數(shù)據(jù)*/
}
}
}
4 結束語
與目前同類型的單片機相比較，AT90CAN128在數(shù)據(jù)采集、PWM（快速PWM模式）等設計中都有其明顯的優(yōu)勢，特別是內置了CAN控制器，這讓它在現(xiàn)代自控領域的發(fā)展前景十分樂觀。通過實踐證明，該車載CAN總線系統(tǒng)運行良好，完全可以達到預期的功能。
本文作者創(chuàng)新點：本文由于采用了AT90CAN128單片機，使得該CAN總線系統(tǒng)的設計方法與傳統(tǒng)的CAN總線網(wǎng)絡設計思路有所不同，內置CAN控制器可大大降低設備成本、簡化硬件結構、通信效率加強、提高了安全性以及可靠性。軟件設計上可通過對MOb的配置，實現(xiàn)消息隊列的設定，這種方法更加的靈活、易懂。
參考文獻：
[1] 史久根，張培仁，陳真勇. CAN現(xiàn)場總線系統(tǒng)設計技術. 國防工業(yè)出版社，2004.第1版
[2] 饒運濤，鄒繼軍，鄭勇蕓. 現(xiàn)場總線CAN原理與應用技術[M].北京航空航天大學出版社，2003.第1版
[3] AT90CAN128.pdf. www.atmel.com/literature
[4] 王軼，張凡. CAN總線技術在智能汽車系統(tǒng)中的應用. 《微計算機信息》2005年第七期47頁
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