基于P87C591的CAN總線控制系統(tǒng)的設計研究
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引言
現(xiàn)場總線技術是一種基于現(xiàn)場設備之間進行數(shù)據(jù)通訊的新型總線系統(tǒng)，它綜合了計算機技術、數(shù)字通訊技術、自動控制技術、網(wǎng)絡技術和智能儀表等各種技術手段，從根本上突破了傳統(tǒng)的“點對點”式的模擬信號或數(shù)字—模擬信號控制的局限性，構成了一種全分散、全數(shù)字化、智能化雙向、互連、多變量、多結點的通信控制系統(tǒng)。
CAN總線是德國BoSCH公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通訊協(xié)議。CAN總線以其高性能、高可靠性及其獨特的設計越來越受到人們的重視，并被公認為是汽車電控系統(tǒng)中最有前途的總線之一。奔馳、寶馬、大眾等一些國際著名汽車生產(chǎn)廠家已經(jīng)在各自的產(chǎn)品中采用了CAN總線技術。目前，國內的汽車生產(chǎn)廠家也已經(jīng)開始重視該項技術。毫無疑問，CAN總線技術將是今后車載網(wǎng)絡領域的主流協(xié)議標準。
P87C591芯片的特點
P87C591是一個單片8位高性能微控制器，除了80C51的標準特性之外，器件還為實際應用提供許多專用的硬件功能。片中帶16K字節(jié)內部程序存儲器，可外部擴展到64K字節(jié)；512字節(jié)片內數(shù)據(jù)RAM，可外部擴展到64K字節(jié)；并且有3個16位定時/計數(shù)器T0， T1(標準80C51)和附加的T2(捕獲比較)，2個8位分辨率的脈寬調制輸出(PWM)，包含一個看門狗定時器T3。P87C591中包括4個中斷優(yōu)先級，l5個中斷源，為編寫高效率的程序軟件提供了強大的硬件支持。
P87C591是NXP半導體公司推出的帶有在片CAN控制器SJA 1000的新型微控制器。它完全履行CAN 2.0規(guī)范并提供一個獨立CAN控制器的軟件移植路徑。其中包括增強型驗收濾波器、支持系統(tǒng)維護、診斷、系統(tǒng)優(yōu)化以及接收FIFO特性。該嵌入式CAN控制器包括了具有CAN的擴充特性。該嵌入式CAN控制器包括了下列功能模塊：
① CAN內核模塊根據(jù)CAN 2. 0規(guī)范控制CAN幀的接收和發(fā)送。
② CAN接口包含5個實現(xiàn)CPU與CAN控制器連接的特殊功能寄存器。
③ CAN控制器的發(fā)送緩沖區(qū)能夠保存一個完整的CAN信息格式。只要通過CPU啟動發(fā)送，信息字節(jié)就從發(fā)送緩沖區(qū)傳輸?shù)紺AN內核模塊。
④ 所有驗收濾波器驗收的接收數(shù)據(jù)都保存在接收FIFO中。取決于操作模式和數(shù)據(jù)長度的不同，最多可存放21個CAN信息。
⑤ 當接收一個信息時，CAN內核模塊將串行位流轉換成并行數(shù)據(jù)輸入到驗收濾波器，通過該可編程濾波器，P87C591確定實際接收到的信息。
P87C591微控制器內部總線通過80C51微處理器接口與PeIiCAN相連。通過CANADR(地址)、CANDAT(數(shù)據(jù))、CANMOD(模式)、CANSTA(狀態(tài))和CANCON(控制)5個特殊功能寄存器對PeIiCAN寄存器和RAM區(qū)進行訪問。圖1為P87C591的功能框圖。
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硬件電路設計
本文所設計的控制系統(tǒng)的CAN總線節(jié)點硬件電路由微處理器（P87C591）、CAN總線通信接口的收發(fā)器（NXP公司的82C250）和功能裝置（傳感器、執(zhí)行器等）組成。如 圖2所示為控制系統(tǒng)CAN總線節(jié)點通訊相關的硬件電路原理圖。由于P87C591本身含有CAN模塊，因此不需要外加CAN控制器，所需要的外部元件僅僅是一個晶振加兩個電容，一個連接到復位腳的電容（使用片內復位電路）以及一個收發(fā)器用于將P87C591連接到CAN總線。
為了防止干擾，在CAN總線節(jié)點硬件設計上采取了以下措施：
①82C250與CAN總線的接口部分采取了抗干擾措施。82C250的CANH和CANL引腳各自通過一個5? 的電阻與CAN總線相連，電阻可起到一定的限流作用，保護82C250免受過流的沖擊。CANH和CANL與地之間并聯(lián)了兩個30pF的小電容，可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射能力。另外在兩根CAN總線接入端與地之間分別反接了一個保護二極管，當CAN總線有較高的負電壓時，通過二極管的短路可起到一定的過壓保護作用。
② 總線兩端應接有兩個120?電阻，對于匹配總線阻抗起著重要的作用，忽略掉它們會使數(shù)據(jù)通信的抗干擾性及可靠性大大降低甚至無法通信。
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在CAN總線程序設計中，初始化程序是整個軟件設計中的重點和難點，它直接關系到系統(tǒng)能否正常工作。對CAN 控制器進行初始化，實際上就是對集成CAN控制器的P87C591芯片中的寄存器進行初始化設置，并對報文接收緩沖區(qū)進行設置。內容包括：操作模式、TXDC輸出管腳的配置、總線定時、驗收濾波器、中斷等。CAN控制器初始化流程圖如圖3所示。
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CAN初始化子程序如下：
void init_can_controller(void)
{
/*進入CAN控制器復位模式*/
CANMOD=0x01; /*將CAN控制器設置為復位模式以啟動初始化*/
/*TXDC Port (P1.1)配置*/
P1M2=P1M2|0x02; /*管腳TXDC設置為推挽模式*/
/*配置與CAN有關的中斷*/
CANSTA=0x03; /*使能接收和發(fā)送中斷*/
/*CAN位定時的配置*/
CANADR=BTR0; /*BTR0和BTR1編程為100kbit/s，在16MHz條件下*/
CANDAT=0x00;
CANADR=BTR1;
CANDAT=0x14; /*用戶可根據(jù)具體的CAN網(wǎng)絡來調整BTR0、BTR1的參數(shù)*/
/*驗收濾波器1配置為接收ID=10000000XXX*/
CANADR=ACR0; /*將地址設置到驗收代碼寄存器0(BANK1)*/
CANDAT=0x80; /*驗收代碼0用于濾波*/
CANADR=AMR0; /*將地址設置到驗收屏蔽寄存器0(BANK1)*/
CANDAT=0x00; /*BANKl:與驗收屏蔽0有關*/
CANDAT=0xFF; /*BANKl:與驗收屏蔽1無關，允許任何數(shù)據(jù)通過濾波器*/
CANDAT=0xFF; /*BANKl:與驗收屏蔽2無關，允許任何數(shù)據(jù)通過濾波器*/
CANDAT=0xFF; /*BANKl:與驗收屏蔽3無關，允許任何數(shù)據(jù)通過濾波器*/
CANADR=ACFMOD; /*將地址設置到ACF模式寄存器*/
CANDAT=0xFF; /*單驗收濾波器使用29位ID(EFF)*/
CANADR=ACFPRIO; /*將地址設置到ACF優(yōu)先級寄存器*/
CANDAT=0xFF; /*所有濾波器都為高優(yōu)先級*/
CANADR=ACFEN; /*將地址設置到ACF使能寄存器*/
CANDAT=0x01; /*使能Bankl的驗收濾波器*/
/*選擇操作模式退出CAN控制器復位模式*/
CANMOD=0x00; /*使CAN控制器進入操作模式*/
}
結束語
本 文從硬件和軟件的角度對內嵌CAN控制器(SJA1000)的P87C591進行了詳細的介紹，不僅給出了P87C591的CAN總線硬件電路原理圖，還給出了CAN總線的初始化子程序。P87C591是個高性能的CAN微控制器，可用于汽車和通用的工業(yè)應用。尤其在汽 車 車身控制系統(tǒng)中它可以發(fā)揮很好的作用，通過使用該系統(tǒng)進行CAN總線的車身控制，可以簡化線路，減少車內線束連接的復雜性，保證信號無干擾、實時的傳輸，并且實現(xiàn)系統(tǒng)實時診斷、測試和報警功能。隨著汽車電子技術的發(fā)展，其在汽車電控系統(tǒng)中必將得到更廣泛的應用。
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