Cortex-M3內核芯片LM3S2965的CAN總線節(jié)點設計

摘要：根據(jù)CAN總線的特性，給出了基于Cortex-M3內核的LM3S2965芯片中CAN總線節(jié)點的硬件電路、軟件實現(xiàn)框架及部分代碼。初始化代碼部分可以直接應用在其他CAN總線的接口設計中。
關鍵詞：CAN；Cortex-M3；稱重儀表；現(xiàn)場總線

引言
    CAN總線具有通信速率高、可靠性高、連接方便和性能價格比高等諸多特點。CAN(Controller Area Network，控制器局域網(wǎng))屬于總線式通信網(wǎng)絡，它是一種專門用于工業(yè)自動化領域的網(wǎng)絡，不同于以太網(wǎng)等管理和信息處理用網(wǎng)絡，其物理特性及網(wǎng)絡協(xié)議特性更強調工業(yè)自動化的底層監(jiān)測及控制。它采用了最新的技術及獨特的設計，可靠性和性能超過了已陳舊的現(xiàn)場通信技術，如RS485、BITBUS等。
    多數(shù)采用微處理器結合CAN控制器芯片的硬件方案，軟件實現(xiàn)上是對CAN控制器芯片的寄存器編程，比較繁瑣。Luminary Micro公司(現(xiàn)已被TI公司收購)所提供的Stellaris系列是基于ARM Cortex-M3的控制器，它們?yōu)閷Τ杀居绕涿舾械那度胧轿⒖刂破鲬梅桨笌砹烁咝阅艿?2位運算能力。其中，LM3S2000系列是針對控制器局域網(wǎng)(CAN)應用方案而設計的一組芯片，它在Stellaris系列芯片的基礎上擴展了Bosch CAN網(wǎng)絡技術——短距離工業(yè)網(wǎng)絡里的黃金標準。
    目前，很多系統(tǒng)需要稱重數(shù)據(jù)。本文介紹一種利用LM3S2965芯片設計的CAN總線節(jié)點的軟硬件方案，可以直接將儀表與傳感器組成的稱重系統(tǒng)接人現(xiàn)有的分布式網(wǎng)絡中。

1 系統(tǒng)硬件設計
    基于CAN總線的分布式控制網(wǎng)絡系統(tǒng)如圖1所示。采用現(xiàn)場總線式集散控制系統(tǒng)(Field Distributed Control Svstem，F(xiàn)DCS)結構，由CAN總控中心、控制節(jié)點以及CAN現(xiàn)場控制網(wǎng)絡組成。CAN總控中心主要完成在線系統(tǒng)監(jiān)控，多個智能節(jié)點各自獨立完成數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)設定、運行顯示控制等，通過CAN現(xiàn)場總線，在操作站和智能節(jié)點之間交換各種數(shù)據(jù)和管理控制信息。圖中的任何一個控制節(jié)點都可能是稱重系統(tǒng)，由稱重傳感器和稱重儀表組成。通過這個控制網(wǎng)絡，總控中心就可以監(jiān)控、操作各個稱重單元的工作狀態(tài)。

    本文利用TI公司生產(chǎn)的LM3S2965設計了一種CAN總線系統(tǒng)智能節(jié)點。節(jié)點包括A／D轉換、顯示、按鍵輸入、CAN接口等多個部分，根據(jù)系統(tǒng)的要求還可以增加更多的模塊。本文僅介紹CAN接口部分，其硬件電路如圖2所示。該電路主要包括CAN總線收發(fā)器SN65HVD1050D、高速光電耦合器6N137以及與微控制器LM3S2965的接口部分。LM3S2965通過內置CAN控制器極大地簡化了硬件設計和軟件編程，加速了實現(xiàn)方案的設計，且穩(wěn)定可靠性得到保證。

    為了增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，LM3S2965的TXO和RXO通過高速光耦6N137與CAN收發(fā)器SN65HVD1050D相連，很好地實現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點間的電氣隔離。電源的完全隔離可采用小功率電源隔離模塊或帶多5 V隔離輸出的開關電源模塊實現(xiàn)，這些部分雖然增加了節(jié)點的復雜程度，但卻提高了節(jié)點的穩(wěn)定性和安全性。6N137光耦合器的使用需要注意兩點：第一，6N137的第6腳輸出電路屬于集電極開路電路，必須接一個上拉電阻；第二，6N137內部的第2腳和第3腳之間是一個LED，必須串接一個限流電阻。

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2 系統(tǒng)軟件設計
    CAN總線節(jié)點的軟件設計主要包括3部分：CAN節(jié)點初始化、報文發(fā)送和報文接收。初始化程序設計對于CAN總線節(jié)點的正常工作相當重要。它主要包括工作方式、時鐘輸出寄存器、接收屏蔽寄存器、接收代碼寄存器、總線定時器、輸出控制寄存器和中斷允許寄存器的設置。
    LM3S2965及其系列芯片由廠家提供了底層的API，用于訪問Stellaris CAN模塊的函數(shù)集。這些函數(shù)用于對CAN控制器、報文對象進行配置，對CAN中斷進行管理，大大簡化了編程的復雜性，也增強了軟件的移植性。
    Stellaris CAN模塊提供了CAN數(shù)據(jù)鏈接層的硬件處理。因為可以被配置成具有報文過濾器并能預載報文數(shù)據(jù)，所以它能在總線上自動發(fā)送和接收報文，并相應地通知應用。它能自動地處理CRC的產(chǎn)生和檢查、錯誤處理以及CAN報文的重發(fā)。
    報文對象存放在CAN控制器中，并且它能提供CAN總線上的CAN模塊的主接口。這32個報文對象中的每一個都能被編程成可以處理一個獨立的報文ID，或能在同一個ID上被一起鏈接成一個幀序列。報文標識符過濾器提供了能被編程為與任何或全部報文ID位相匹配的屏蔽和幀類型。CAN API提供了應用所需要用來實施一個中斷驅動CAN堆棧的全部函數(shù)。可使用這些函數(shù)控制Stellaris微控制器的任何一個可用的CAN端口，并且函數(shù)能與一個端口使用而不會與其他端口造成沖突。
    默認時CAN模塊被禁止，因此在調用任何其他的CAN函數(shù)前，必須要先調用CANInit()函數(shù)。這樣就能在使能CAN總線上的控制器前把報文對象初始化到一個安全的狀態(tài)。同樣，在使能CAN控制器前，必須對位時序值進行編程。在位時序值被編程為一個適當?shù)闹禃r，應該要調用CAN總線的CANSetBitTiming()函數(shù)。一旦調用完這兩個函數(shù)，就可使用CANEnable()將CAN控制器使能，如有需要，稍后可使用CANDisable()將其關閉。調用CANDisable()并不會重新初始化一個CAN控制器，因此可以使用它來暫時把CAN控制器從總線上移除。
    CAN控制器具有很高的可配置性并且包含32個報文對象，在某些條件下這些報文對象能被編程為自動發(fā)送和接收CAN報文。報文對象允許應用程序自動執(zhí)行一些操作而無需與微控制器進行交互。
    以下是這些操作的一些范例：
    ①立即發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀；
    ②當在CAN總線上發(fā)現(xiàn)一個正在匹配的遠程幀時，發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀；
    ③接收一個特定的數(shù)據(jù)幀；
    ④接收與某個標識符樣式匹配的數(shù)據(jù)幀。
    為了把報文對象配置成可以執(zhí)行這些操作中的任何一個操作，應用程序必須首先要使用CANMessageSet()來設置32個報文對象中的其中一個。這個函數(shù)能把一個報文對象配置成可以發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)。每一個報文對象可以被配置成在發(fā)送或接收CAN報文時產(chǎn)生中斷。
    當從CAN總線接收到數(shù)據(jù)時，應用程序可以使用CANMessageGet()函數(shù)讀取到所接收到的報文。同樣，該函數(shù)也能讀取這樣一個報文：在改變報文對象的配置前，報文已被配置以便定位一個報文結構。使用這個函數(shù)讀取報文對象，將會清除任何報文對象中正在掛起的中斷。
    一旦已使用CANMessageSet()來完成對一個報文對象的配置，那么此函數(shù)分配報文對象并繼續(xù)執(zhí)行其編程功能，除非通過調用ANMessage-Clear()將其釋放。在對報文對象進行新配置前，無需請求應用程序清除報文對象，因此每次調用CANMessageSet()時，它將會覆蓋任何之前被編程的配置。
    32個報文對象是相同的，優(yōu)先級除外。最小編號的報文對象具有最高的優(yōu)先級。優(yōu)先級以兩種方式影響操作：第一種，如果在同一時間準備好多個操作，那么具有最高優(yōu)先級的報文對象將會首先發(fā)生；第二種，多個報文對象正在掛起中斷時，如果讀取中斷狀態(tài)，則具有最高優(yōu)先級的報文對象首先出現(xiàn)。由應用負責把32個報文對象作為一個源來管理，并確定分配和釋放它們的最佳途徑。
    CAN控制器在下列條件下能夠產(chǎn)生中斷：
    ①當任何一個報文對象發(fā)送一個報文時；
    ②當任何一個報文對象接收一個報文時；
    ③滿足警告條件，如一個錯誤計數(shù)器達到了限值，或出現(xiàn)多個總線錯誤時；
     ④滿足控制器錯誤條件，如進入總線關閉狀態(tài)時。
    圖3是CAN總線節(jié)點的軟件流程。其中的對象就是一組數(shù)據(jù)的信息，包括下面結構體的信息：
   

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    其中，ulMsglD用作11或29位標識符的CAN報文標識符；ulMsgIDMask為在使能標識符過濾器時所使用的報文標識符屏蔽；ulFlags保存多個狀態(tài)標志和tCANObjFlags所指定的設置；ulMsgLen是報文對象中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)；pucMsgData是指向報文對象的數(shù)據(jù)的指針。
    此結構是對與CAN控制器中一個CAN報文對象相關的項目進行的壓縮?？梢灾苯訉⑦@個對象的信息填充，即進行對象的賦值工作。下面的代碼是程序中CAN接口部分的初始化部分：
    
    
    上面的這些函數(shù)都已經(jīng)通過提供的API函數(shù)完成工作，CANConfigureNetwork函數(shù)要自己編寫，代碼如下：

     這里僅僅是對前文介紹的對象進行賦值，是將系統(tǒng)中真正用到的對象配置成我們需要的對象(包括是發(fā)送還是接收)。此處鑒于篇幅只給出了兩個對象，一個用于發(fā)送數(shù)據(jù)，一個用于接收數(shù)據(jù)。上面的函數(shù)設置好后就可以通過CAN中斷控制器來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。上述程序代碼在Keil C3．78版本上調試編譯通過，并且已經(jīng)成功用于產(chǎn)品中。

結語
    本文介紹的CAN總線接口節(jié)點設計方案實現(xiàn)非常方便，硬件電路簡單，軟件設計模塊化，可以應用此方案設計實用的系統(tǒng)。本文的接口就是稱重儀表的一部分，可以直接將儀表與傳感器組成的稱重系統(tǒng)接入現(xiàn)有的分布式網(wǎng)絡中。