隨著信息技術(shù)技術(shù)的飛速發(fā)展,ARM技術(shù)方案架構(gòu)作為一種具備低功耗、高性能、以及小體積等特性的32位嵌入式微處理器,得到了眾多的知識產(chǎn)權(quán)授權(quán)用戶,其中包括世界頂級的半導(dǎo)體和系統(tǒng)公司。目前已被廣泛的用于各類電子產(chǎn)品,汽車、消費娛樂、影像、工業(yè)控制、海量存儲、網(wǎng)絡(luò)、安保和無線等領(lǐng)域。被業(yè)界人士認(rèn)為,基于ARM的技術(shù)方案是最具市場前景和市場優(yōu)勢的解決方案。
現(xiàn)場總線CAN是為解決現(xiàn)代汽車中眾多的電控模塊之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行通信協(xié)議。由于其具有多主站依據(jù)優(yōu)先權(quán)進行總線訪問,采用非破壞性總線仲裁,可完成對通信數(shù)據(jù)的錯誤檢驗和優(yōu)先級判別,數(shù)據(jù)長度最多為8個字節(jié),傳輸時間短,受干擾的概率低,抗干擾能力較強,通信速率最高可達1Mbit/s等特點,它被廣泛應(yīng)用在汽車,工業(yè),消費類電子等領(lǐng)域,而被公認(rèn)為是最有前途的現(xiàn)場總線之一。
基于ARM在嵌入式系統(tǒng)方面優(yōu)勢和CAN總線的廣泛應(yīng)用,目前越來越多的ARM處理器內(nèi)部都自帶了CAN控制器,極大的方便了開發(fā)人員對CAN總線的開發(fā)。但目前仍有些產(chǎn)品中的ARM處理器沒有內(nèi)置CAN控制器,為了能夠適應(yīng)節(jié)點間對數(shù)據(jù)傳輸所提出的實時性,可靠性的要求,同時又不改變原來的硬件結(jié)構(gòu),通過外擴CAN接口模塊來實現(xiàn)CAN通信成了一個較為合適的選擇。
本文基于ARM7TDMI-S處理器LPC2131,對內(nèi)部沒有集成CAN控制器的處理器,設(shè)計了較為通用的CAN接口模塊的硬件電路,并對CAN總線進行了可靠性設(shè)計,而且對基于嵌入式實時操作系統(tǒng)mCOS-II實現(xiàn)CAN通信,進行了嵌入式軟件的設(shè)計,最終在實踐中對CAN總線通訊的可靠性和可行性進行了驗證。
1 LPC2131
Philips LPC2131是基于ARM7TDMI-S的高性能32位RISC微控制器,它一方面具有ARM處理器的所有優(yōu)點:低功耗、高性能;同時又具有較為豐富的片上資源,非常適合嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)。其特點如下:
·集成了Thumb擴展指令集。
·32KB可在系統(tǒng)中編程(ISP)的片內(nèi)Flash和可在應(yīng)用中編程(IAP)的8KB RAM,具有向量中斷控制器。
·2個UART,2個I2C串行接口,2個SPI串行接口,2個定時器(7個捕獲/比較通道),PWM單元可提供多達6個PWM輸出,8通道10位ADC,實時時鐘RTC,看門狗定時器WDT,48個通用I/O引腳。
·CPU時鐘高達60MHz,具有片內(nèi)晶體振蕩器和片內(nèi)PLL。LPC2131內(nèi)部沒有集成CAN控制器,而無法利用CAN總線來進行通訊。為了使得LPC2131能夠利用CAN總線進行通訊,可以通過外部擴展來拓展其功能。
2 硬件電路設(shè)計
由于LPC2131是由3.3V供電的ARM7TDMI-S微處理器,其各個IO引腳是3.3V的TTL電平,而且可以承受5V的電壓。而獨立CAN控制器SJA1000是5V供電,其各個IO口的電平是5V的TTL電平,所以二者兼容,其IO可以直接相連。
2.1 LPC2131與CAN控制器接口
LPC2131與CAN控制器接口如圖1所示,LPC2131的P0.8~P0.15與SJA1000的AD0~AD7直接相連實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互,P0.22,P0.25,P0.31,P0.23分別與SJA1000的ALE/AS,RD/E,WR,CS相連實現(xiàn)讀寫和片選,P0.30,P0.27分別與SJA1000的INT,RST相連實現(xiàn)中斷和復(fù)位。LPC2131訪問SJA1000時,可通過軟件模擬SJA1000中所規(guī)定的讀寫時序來進行,SJA1000的模式引腳MODE通過VCC而置為高電平,使得SJA1000工作在 Intel的模式。
圖1 LPC2131與CAN控制器接口電路
2.2 CAN收發(fā)器與CAN總線接口
CAN收發(fā)器與CAN總線的接口如圖2所示,其中SJA1000的TX0,RX0分別與CAN收發(fā)器的TXD,RXD相連,為提高CAN收發(fā)器82C250與CAN總線的接口部分的抗干擾能力,特在82C250 的CANH 和CANL 引腳串接一個共模扼流圈,以消除一定的共模干擾,而使得總線差分信號能夠順利通過。并且CANH和CANL分別通過一個磁珠與總線相連,以起到消除一定的高頻干擾。同時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的能力。另外在兩根CAN總線接入端與地之間分別接了一個TVS,當(dāng)CAN 總線有較高的電壓時通過TVS的擊穿而接地,可起到一定的過壓保護作用。82C250 的Rs引腳上接有一個斜率電阻以降低CAN總線的向外輻射。
圖2 CAN收發(fā)器與總線接口電路
對于其他無內(nèi)置CAN控制器的能夠承受5V的TTL電平的處理器來說,只需改變與SJA1000的數(shù)據(jù)端口ALE/AS,RD/E,WR,CS,INT,RST相連接的引腳即可完成外擴CAN接口的硬件設(shè)計工作,否則在兩者之間加一個邏輯電平轉(zhuǎn)換的器件即可。
3 軟件設(shè)計
3.1 對SJA1000的讀寫訪問
由于LPC2131的48個引腳全是IO,所以首先需要通過軟件模擬讀寫SJA1000的時序,來對SJA1000進行操作,進而完成CAN通訊功能。
依據(jù)SJA1000在Intel模式下的讀寫時序,可編寫LPC2131通過CAN控制器SJA1000發(fā)送數(shù)據(jù)的寫函數(shù)void WriteCan(uint8 Addr,uint8 Data)和接受CAN控制器所接受的數(shù)據(jù)的讀函數(shù)uint8 ReadCan(uint8 Addr),其中Addr為SJA1000相應(yīng)的寄存器的地址,Data為LPC2131所發(fā)送的數(shù)據(jù),讀函數(shù)ReadCan可返回所接受的數(shù)據(jù)。
3.2 CAN通訊的實現(xiàn)要實現(xiàn)
一個CAN通訊需要實現(xiàn)3個功能模塊:對SJA1000的初始化模塊;數(shù)據(jù)發(fā)送模塊;數(shù)據(jù)接受模塊。
·對SJA1000的初始化模塊
在開始通訊之前,首先要在SJA1000的各個功能寄存器進行設(shè)置,包括模式寄存器,波特率,時鐘分頻器,中斷使能寄存器,,濾波寄存器,輸出控制寄存器。
·數(shù)據(jù)發(fā)送模塊
假設(shè)要發(fā)送的數(shù)據(jù)的ID存儲在數(shù)組ID中,數(shù)據(jù)存儲在數(shù)組SendData中,其發(fā)送模塊程序如下所示,其中參數(shù)DLC為發(fā)送的字節(jié)數(shù),F(xiàn)F為幀類型,即0為數(shù)據(jù)幀,1為遠程幀。
·數(shù)據(jù)接受模塊
根據(jù)電路圖1,采用中斷接受的方式來接受數(shù)據(jù),LPC2131的P0.30設(shè)置為外部中斷3,整個數(shù)據(jù)接受模塊由數(shù)據(jù)接受函數(shù)void ReceiveData(uint8 *Rt)、中斷處理函數(shù)CAN_Exception(void)構(gòu)成。當(dāng)SJA1000接受到CAN總線數(shù)據(jù),通過接收中斷使得LPC2131產(chǎn)生外部中斷3而使其進入中斷處理函數(shù),進而對接受到的數(shù)據(jù)進行處理。其中數(shù)據(jù)接受函數(shù)和中斷處理函數(shù)如下:
4 結(jié)語
以ARM芯片作為主控制器,CAN總線作為數(shù)據(jù)傳輸方式來進行通訊的嵌入式系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。同時CAN通訊的可靠性也成為影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵部分之一。本文以LPC2131為例,給出了一類微處理器與CAN控制器SJA1000之間的較為通用的硬件連接方法,對CAN總線進行了可靠性設(shè)計,并基于嵌入式實時操作系統(tǒng)mCOS-II進行了CAN通訊軟件開發(fā),該設(shè)計現(xiàn)已在工廠車間中的分布式監(jiān)控系統(tǒng)中得到了應(yīng)用,運行可靠、穩(wěn)定。
責(zé)任編輯:gt
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