基于P89C668單片機(jī)的CAN總線接口設(shè)計(jì)
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CAN(Controller Area Network)總線,又稱控制器局域網(wǎng),屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇,是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò).與其它幾種現(xiàn)場(chǎng)總線相比,CAN 總線是最容易實(shí)現(xiàn)、價(jià)格也最為低廉.由于其性能好,可靠性高、設(shè)計(jì)靈活,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制、智能大廈、小區(qū)防范、交通工具、醫(yī)療儀器、環(huán)境監(jiān)控等眾多領(lǐng)域.
CAN總線規(guī)范已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)定為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),CAN協(xié)議也是建立在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的開放系統(tǒng)互連參考模型(OSI)基礎(chǔ)上的.CAN總線主要工作在數(shù)據(jù)鏈路層和物理層,用戶可在其基礎(chǔ)上開發(fā)適合系統(tǒng)實(shí)際需要的應(yīng)用層通信協(xié)議,由于CAN總線的可靠性高,使應(yīng)用層通信協(xié)議得以大大簡(jiǎn)化.目前市場(chǎng)上有多種不同型號(hào)的CAN控制器,它們實(shí)現(xiàn)CAN協(xié)議部分電路的結(jié)構(gòu)和功能大多相同,只是與單片機(jī)接口部分的結(jié)構(gòu)和方式有一些差異.
為了提高硬件電路的效率,簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)上的復(fù)雜性,保證電路的電氣兼容性,本文采用PHILIPS公司生產(chǎn)的P89C668單片機(jī)和CAN控制器SJA1000設(shè)計(jì)了CAN接口節(jié)點(diǎn)電路,并介紹了相關(guān)的軟件設(shè)計(jì).
1 CAN總線節(jié)點(diǎn)接口硬件電路設(shè)計(jì)
CAN節(jié)點(diǎn)接口硬件電路原理如圖1所示.采用PHILIPS公司生產(chǎn)的P89C668單片機(jī)、CAN控制器SJA1000和CAN總線收發(fā)器PCA82C250設(shè)計(jì)接口電路來實(shí)現(xiàn)CAN總線通信.
圖1 CAN總線接點(diǎn)接口硬件電路原理
P89C668單片機(jī)內(nèi)帶64kB Flash存儲(chǔ)器,該存儲(chǔ)器既可并行編程,在系統(tǒng)編程ISP中也可串行編程,在實(shí)際的成型產(chǎn)品中可通過ISP升級(jí)用戶程序. 在Boot ROM程序中,可通過一個(gè)默認(rèn)的串行下載器(UART)對(duì)Flash存儲(chǔ)器作ISP編程,而在Flash代碼區(qū)中并不需要調(diào)用下載器的代碼,用戶程序可通過調(diào)用在Boot ROM中的標(biāo)準(zhǔn)子程序?qū)lash存儲(chǔ)器擦除和再編程(即IAP).
P89C688在6個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令,一個(gè)OTP位讓用戶可選擇傳統(tǒng)的12個(gè)時(shí)鐘周期.P89C688用先進(jìn)CMOS工藝制造,是80C51單片機(jī)家族的衍生品,其指令集和80C51相同.該單片機(jī)有四個(gè)8位I/O口,三個(gè)16位定時(shí)器/事件計(jì)數(shù)器,多中斷源,四個(gè)優(yōu)先級(jí),可嵌套中斷結(jié)構(gòu),一個(gè)增強(qiáng)型UART和片內(nèi)振蕩器以及時(shí)序電路.P89C668新增特性使其成為一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī),可為某些應(yīng)用提供PWM、高速的I/O和加/減計(jì)數(shù).
SJA1000 是PHILIPS 公司生產(chǎn)的獨(dú)立CAN 通信控制器,它既支持CAN2.0A,又支持CAN2.0B,與PCA82C200 CAN 控制器兼容(BasicCAN),并可替代PCA82C200;增加了一種新的工作模式PeliCAN,使其支持具有很多新特性的CAN2.0B 協(xié)議;集成了CAN 協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能,可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理;具有多主結(jié)構(gòu)、總線訪問優(yōu)先權(quán)、硬件濾波等特點(diǎn).
PC82C250為CAN總線收發(fā)器,是CAN 控制器和物理總線的接口,提供對(duì)總線的驅(qū)動(dòng)發(fā)送能力、對(duì)CAN控制器的差動(dòng)發(fā)送能力和對(duì)CAN控制器的差動(dòng)接收能力.它具有很強(qiáng)的抗瞬間干擾和保護(hù)總線的能力,以及三種不同的工作方式即高速、斜率控制和待機(jī),如表1所示.總線上的某一個(gè)節(jié)點(diǎn)掉電不會(huì)影響總線,在40米內(nèi)應(yīng)用的速度可達(dá)1M baud,最多可掛110個(gè)節(jié)點(diǎn).
從圖1 可看出,該硬件電路主要由單片機(jī)P89C668、CAN 獨(dú)立控制器SJA1000 和CAN 收發(fā)器PCA82C250 組成.
單片機(jī)P89C668 負(fù)責(zé)對(duì)SJA1000 進(jìn)行初始化,通過控制SJA1000實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收等通信任務(wù).
SJA1000 的AD0~AD7連接到P89C668 的P0口;
CS連接到P89C668的P1.1,P1.1 為0 時(shí)選中SJA1000,可控制SJA1000;
SJA1000 的RD/E、WR、ALE/AS 分別連接到P89C668 的RD(P3.7)、WR(P3.6)、P1.0;
SJA1000的(INT)連接到P89C668 的P3.2(INT0),這樣,P89C668 可以通過中斷方式訪問SJA1000;
SJA1000的模式選擇引腳MODE 接高電平時(shí)選擇Intel 模式;
為了保證時(shí)鐘同步,SJA1000 的CLKOUT 引腳使能,向P89C668 提供時(shí)鐘源.
2 CAN 總線節(jié)點(diǎn)接口軟件設(shè)計(jì)
實(shí)現(xiàn)CAN 總線通信,要對(duì)CAN 總線節(jié)點(diǎn)接口設(shè)計(jì)相應(yīng)的總線通信程序;在總線通信之前,必須進(jìn)行SJA1000 控制器初始化.在上電或復(fù)位后,單片機(jī)通過運(yùn)行其自身復(fù)位程序初始化SJA1000.CAN總線通信程序大致由SJA1000 初始化、發(fā)送和接收三部分組成.以下分別對(duì)他們進(jìn)行簡(jiǎn)單的描述.
2.1 SJA1000 初始化
在上電后,CAN 控制器的RST 腳獲得一個(gè)復(fù)位脈沖,使之進(jìn)入復(fù)位模式.在開始對(duì)SJA1000 各個(gè)配置寄存器進(jìn)行設(shè)定之前,主控制器通過讀復(fù)位/請(qǐng)求標(biāo)識(shí)來檢測(cè)SJA1000是否進(jìn)入復(fù)位模式.為了避免微控制器的上電復(fù)位時(shí)間和SJA1000 的復(fù)位時(shí)間的偏差,微控制器要等待SJA1000 完成上電復(fù)位后才能對(duì)SJA1000 配置寄存器進(jìn)行配置,存有配置信息的寄存器只能在復(fù)位模式下才可進(jìn)行寫入.SJA1000 初始化程序在復(fù)位模式下,主控制器要配置下面的寄存器:
(1)模式寄存器(僅在PeliCAN 模式下選擇應(yīng)用操作模式)
接收過濾模式
自檢測(cè)模式
偵聽模式
(2)時(shí)鐘分頻寄存器
使用BasicCAN 或PeliCAN 模式
CLKOUT 引腳是否可以使用
CAN 輸入比較器是否被跳過
TX1 輸出是否專門用于接收中斷輸出
(3)總線定時(shí)寄存器
定義總線的位速率
定義位周期內(nèi)的采樣點(diǎn)位采樣點(diǎn)
定義一個(gè)位周期的采樣數(shù)量
(4)接收代碼和接收掩碼寄存器
定義要接收消息的接收代碼
定義與接收代碼相關(guān)位進(jìn)行比較的接收掩碼
(5)輸出控制寄存器
定義CAN 總線輸出引腳TX0 和TX1 的配置
在將這些配置信息配置到SJA1000配置寄存器后,通過消除復(fù)位模式,請(qǐng)求使SJA1000進(jìn)入操作模式.一定要確保復(fù)位標(biāo)志真的被刪除,并且在沒有進(jìn)行CAN 總線通信前進(jìn)入操作模式,這可以通過讀該標(biāo)志來實(shí)現(xiàn). 當(dāng)硬件復(fù)位處于掛起狀態(tài),即CAN 控制器的RST 引腳為低電平時(shí),復(fù)位模式/請(qǐng)求標(biāo)志不能被清除.
下面是SJA1000 的初始化程序.
CAN_INI: MOV DPTR, #MOD; 模式寄存器
MOV A, #01H
MOVX @DPTR, A
NOP
MOVX A, @DPTR
ANL A, #01H
JZ CAN_INI; 等待SJA1000 進(jìn)入復(fù)位模式
MOV DPTR, #BTR0; 總線定時(shí)0
MOV A, #BandRate0
MOV DPTR, #BTR1; 總線定時(shí)1
MOV A, # BandRate1
MOV DPTR, #OCR; 輸出控制寄存器
MOV A, #1AH
MOVX @DPTR, A
MOV DPTR, #CDR; 時(shí)鐘分頻器
MOV A, #0C0H
MOV DPTR, #ACR0; 接收代碼寄存器ACR0
MOV A, #ModuleAddress; 設(shè)置為模塊的地址
MOVX @DPTR, A
INC DPTR
MOV A, #0FFH
MOV @DPTR, A
INC DPTR
MOV A, #0FFH
MOVX @DPTR, A
INC DPTR
MOV A, #0FFH
MOVX @DPTR, A
MOV DPTR, #AMF0; 接收掩碼寄存器AMF0
MOV A, #0FFH; 接收代碼設(shè)置為
0X0FFFFFFFF
MOVX @DPTR, A
INC DPTR
MOV A, #0FFH
MOVX @DPTR, A
INC DPTR
MOV A, #0FFH
MOVX @DPTR, A
INC DPTR
MOV A, #0FFH
MOVX @DPTR, A
MOV DPTR, #IER ; 中斷使能寄存器IER
MOV A, #09H; 允許接收中斷和數(shù)據(jù)溢出中斷
MOV DPTR, #CMR; 命令寄存器
MOV A, #04H; 釋放接收緩沖器
MOVX @DPTR, A
LOOP: MOV DPTR, #MOD
MOV A, #08H; 設(shè)置SJA1000 工作模式為普通模式,單濾波接收
MOVX @DPTR, A
MOV DPTR, #MOD
MOV A, @DPTR
ANL A, #01H
JNZ LOOP; 等待復(fù)位標(biāo)識(shí)被清除
RET
2.2 CAN 總線發(fā)送程序
對(duì)SJA1000控制器進(jìn)行初始化建立CAN總線通信后,就可以通過CAN總線發(fā)送和接收?qǐng)?bào)文.發(fā)送程序負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)的報(bào)文發(fā)送.發(fā)送報(bào)文時(shí),用戶只需將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)按一定的格式組合成一幀的報(bào)文,并送入SJA1000發(fā)送緩存區(qū)中,然后啟動(dòng)SJA1000發(fā)送即可.發(fā)送程序分發(fā)送數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀兩種.通過設(shè)置RTR以決定是發(fā)送數(shù)據(jù)幀還是遠(yuǎn)程幀.
SJA1000的報(bào)文主要有中斷控制和查詢兩種發(fā)送方式.主動(dòng)發(fā)送報(bào)文建議采用查詢方式,一次發(fā)送不成功,可再次發(fā)送,這樣發(fā)送程序的處理比較簡(jiǎn)單,可采用查詢SJA1000控制部分狀態(tài)標(biāo)識(shí)符的方法.下面給出以查詢方式發(fā)送報(bào)文的發(fā)送程序.
CAN_SEND: MOV DPTR, #SR; 狀態(tài)寄存器SR
MOVX A, @DPTR;
ANL A, #04H
JZ CAN_SEND; 等待發(fā)送寄存器釋放
MOV R7, #0AH
MOV R0, #TXB_Data; 待發(fā)送數(shù)據(jù)的首地址
MOV DPTR, #TXB_Addr; 發(fā)送寄存器的基地址
LOOP1: MOV A, @R0; 將數(shù)據(jù)寫入發(fā)送寄存器
MOVX @DPTR, A
INC DPTR
INC R0
DJNZ R7, LOOP1
MOV DPTR, #CMR; 命令寄存器
MO A, #01H; 發(fā)送請(qǐng)求命令
MOVX @DPTR, A
RET
2.3 CAN總線接收程序
SJA1000 根據(jù)規(guī)則自動(dòng)接收消息,接收到的消息放入接收緩沖器,同時(shí)接收緩沖器狀態(tài)標(biāo)志位RBS 置為1,接收程序根據(jù)RBS 值來決定接收?qǐng)?bào)文與否.SJA1000 報(bào)文的接收也有兩種方式:中斷和查詢.對(duì)通信的實(shí)時(shí)性要求不高時(shí),可采用查詢方式,否則采用中斷方式.以下給出中斷接收方式程序.
CAN_INT: CLR EA; 關(guān)所有中斷
MOV DPTR, #IER; 中斷寄存器IER 使能
MOVX A, @DPTR
MOV R6, A; 保存SJA1000 中斷允
MOV A, #00H ; 重設(shè)SJA1000 中斷允許模式為不允許任何中斷
MOVX @DPTR, A
LCALL RECEIVE; 接收信息
JZ ReceivOk; 接收到的信息正確則跳轉(zhuǎn),否則進(jìn)行錯(cuò)誤處理.. ..; 錯(cuò)誤處理
ReceivOk: MOV DPTR, #IER
MOV A, R6; 恢復(fù)SJA1000 中斷允許模式
MOVX @DPTR, A
SETB EA; 開放中斷
RETI
RECEIVE: CLR A
MOV DPTR, #SR; 狀態(tài)寄存器SR
JZ ERROR; 不是正常的消息接收中斷則跳轉(zhuǎn)
LOOP2: MOV DPTR, #RXB_Addr; 接收寄存器的基地址
MOV R1, #RXB_Data; 存放所接收數(shù)據(jù)的首地址
MOV R7, #0AH
LOOP3: MOVX A, @DPTR; 接收數(shù)據(jù)
MOV @R1, A; 保存數(shù)據(jù)
INC DPTR
INC R1
DJNZ R7, LOOP3
MOV DPTR, #CMR; 命令寄存器
MOV A, #0X04; 釋放接收緩沖器
MOVX @DPTR, A
MOV DPTR, #SR
MOVX A, @DPTR
CJNE A, #01H, LOOP2; 等待接收隊(duì)列為空
MOVD PTR, #IR; 中斷寄存器IR
MOVX A, @DPTR; 清空SJA1000 的接收中斷標(biāo)識(shí)位
CLR A; 返回值A(chǔ)CC=0,表示接收消息正確
LJMP END_RECEIVE
ERROR: .. ..; 接收消息錯(cuò)誤處理
MOVA, #01H; 返回值A(chǔ)CC=1,表示接收消息不正確
NED_RECEIVE: RET
3 結(jié)語
以上介紹了P89C668單片機(jī)及其與CAN控制器SJA1000之間的接口方法,并給出了SJA1000在PeliCAN模式下的SJA1000初始化程序、發(fā)送程序和接收程序.可在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的CAN總線通信處理,如報(bào)警處理、錯(cuò)誤處理等.