基于CAN控制器SJA1000的智能高速控制系统设计

摘要：本文介绍了一种新型的现场总线控制器SJA1000的基本原理结构及功能特点，重点叙述了基于CAN控制器SJA1000的智能控制系统硬件电路及软件设计，给出了初始化程序。

SJA1000的特点及功能
SJA1000是一种应用于汽车和一般工业环境的独立CAN总线控制器，经过简单总线连接可完成CAN总线的物理层和数据链路层的所有功能。其硬件与软件设计和PCA82C200的基本CAN模式BasicCAN兼容。同时，新增加的增强CAN模式PeliCAN还可支持CAN2.0B协议。SJA1000的主要特性如下 ：1、管脚及电气特性与独立CAN总线控制器PCA82C200兼容 ；2、软件与PCA82C200兼容(缺省为基本CAN模式)；3、扩展接收缓冲器(64字节FIFO)；4、支持CAN2.0B时支持11和29位标识符；5、位通讯速率为1Mbits/s；6、增强CAN模式(PeliCAN)；7、采用24ＭＨｚ时钟频率；8、支持多种微处理器接口；9、可编程CAN输出驱动配置；10、工作温度范围为-40~+125℃。
CAN控制模块构成
CAN控制模块由接口管理逻辑、发送缓冲器、接收缓冲器(RXFIFO)、接收过滤器、位流处理器 (BSP)、位时序逻辑 (BTL)和错误管理逻辑(EML)组成。

图1 智能控制系统硬件原理图

新增功能
PeliCAN模式，将识别码从11位扩展到29位，使ＣＡＮ总线的节点数大大地扩大，从而使得CAN总线的适用范围更加广泛。除了扩展了识别码，PeliCAN模式还有以下扩展功能：1、可读 /写访问的错误计数器；2、可编程的错误计数器；3、最近一次错误代码寄存器；4、对每一个CAN总线错误的中断；5、具体控制为控制的仲裁丢失中断；6、单次发送 (无重发)；7、只听模式 (无确认，无活动的出错标志)；8、支持热插拔 (软件位速率检测)；9、接收过滤器扩展 (4字节代码，4字节屏蔽)；10、自身信息接收 (自接收请求)。以上扩展功能为用户更好地识别和处理发送和接收错误、更好地应用和调试CAN控制器提供了方便。

智能控制系统硬件电路设计
根据SJA1000的功能特点以及课题的实际需要，我们选用SJA1000作为CAN控制器，并且使用了CAN控制器接口芯片PCA82C250，PCA82C250是CAN协议控制器和物理总线之间的接口。此器件对总线提供差动发送能力，对CAN控制器提供差动接收能力。整个系统以Intel 16位单片机80C196KC为核心。INTEL 80C196KC采用68脚PLCC封装形式，内部寻址采用寄存器结构，从而避免了以往8位单片机只能用累加器参与寻址而产生的瓶颈效应，大大提高了工作效率。其内部设有256个字节的RAM，带有28个中断源，可形成16个中断矢量。在16MHz的晶振下，16乘16位的乘法只需1.75ms，32除16位除法指令只需3.2ms，尤其适合于高采样频率快速控制系统，它本身还带有3路PWM输出引脚，可直接驱动三相电动机，内部设有3个H窗口和1个V窗口，使特殊功能寄存器的数量和保护功能倍增。由于采用的是CMOS工艺，其功耗小，并有掉电保护和闲置功能。因此，采用INTEL公司生产的16位单片机80C196KC机作为控制系统的主控制器是十分理想的选择。SJA1000在智能控制系统中的硬件配置与CAN总线接口的电路如图 1所示。硬件电路中使用 PCA82C250的目的是为了增大通信距离，提高系统的瞬间抗干扰能力，保护总线，降低射频干扰，实现热防护等。
SJA1000在电路中是一个总线接口芯片，实现从上位机PC-CAN接口到现场微处理器之间的数据通信。对于微处理器而言，SJA1000是一个总线接口，SJA1000片内的存储单元相对80C196KC来说是片外的数据存储器，因此，可以按照扩展片外数据存储器的形式来访问SJA1000的寄存器地址。80C196KC是CAN控制器的微处理器，把80C196KC的ALE、RD、WR和 SJA1000的ALE、RD、WR相连就构成一个最小系统节点。80C196KC通过地址总线经GAL译码来选通 SJA1000，并由此决定CAN控制器各寄存器的地址，通过读、写外部数据存储器的形式来访问 SJA1000。在系统中我们将SJA1000的TX1脚悬空，RX1引脚接地，形成CAN协议所要求的电平逻辑。该电路的主要功能就是通过CAN总线接收来自上位机的数据进行分析组态，然后下传给下位机的控制电路实现控制功能，当智能控制系统接收到下位机的上传数据，SJA1000的中断输出INT脚就会被激活，出现一个由高电平到低电平的跃变，产生一个中断，从而引发微处理器80C196KC产生中断，通过中断处理程序接收每一帧信息并通过CAN总线上传给上位机进行分析，以便及时纠正误码、错码。
在进行电路设计时应当注意：为进一步提高系统抗干扰能力，在CAN控制器SJA1000和CAN控制器接口82C250之间加接6N137光电隔离芯片，并采用DC-DC变换器隔离电源；通信信号传输到导线的端点时会发生反射，反射信号会干扰正常信号的传输，因而总线两端两个124W的电阻对匹配总线阻抗起着相当重要的作用，忽略掉它们，会使数据通信的抗干扰性和可靠性大大降低，甚至无法通信；82C250第8脚与地之间的电阻RS称为斜率电阻，它的取值决定了系统处于高速工作方式还是斜率控制方式。把该引脚直接与地相连，系统将处于高速工作方式。在这种方式下，为避免射频干扰，建议使用屏蔽电缆作总线；而在波特率较低、总线较短时，一般采用斜率控制方式，上升和下降的斜率取决于RS的阻值。通常情况下，15KW~200KW为RS较理想的取值范围。在这种方式下，可以使用平行线或双绞线作总线。

系统软件设计
系统软件设计的指导思想是系统上电后首先对80C196KC和SJA1000进行初始化，以确定工作主频、波特率、输出特性等，然后通过查询方式获取模数转换采样值，并把该值通过SJA1000传送到CAN总线上由上位PC机进行显示控制，而对CAN总线上来的信息则采用中断方式，系统每接收到一帧信息，便产生一次中断以触发微处理器进入中断，在中断服务程序中读取该帧信息并传送到现场。为防止出现死机和干扰，程序中还采用看门狗技术进行定时监控。以下CAN总线的初始化设计，假设SJA1000的首址是A000H：
CR EQU A 0 0 0H ；控制寄存器
CMR EQU A 0 0 1H ；命令寄存器
SR EQU A 0 0 2H ；状态寄存器
IR EQU A 0 0 3H ；中断寄存器
ACR EQU A 0 0 4H ；验收码寄存器
AMR EQU A 0 0 5H ；验收屏蔽寄存器
BTR0 EQU A 0 0 6H ；总线定时寄存器 0
BTR1 EQU A 0 0 7H ；总线定时寄存器 1
OCR EQU A 0 0 8H ；输出控制寄存器
DI
LDB CL , # 03H
STB CL ,CR ；开放接收中断，复位
请求位置1,以开始初始化。
LDB CL , # 01H　　
STB CL ,ACR ；将节点1标识符送ACR
LDB CL , # 0FEH　
STB CL ,AMR ；验收滤波
LDB CL , # 0 0H　
STB CL ,BTR0 ；传送波特率为
250kbps
LDB CL , # 1 4H　 　
STB CL ,BTR1 ；定义位周期宽度 ,
采样点位置及采样次数选
LDB CL , # 0AAH　
STB CL ,OCR ；选择正常输出方式
,建立输出驱动器的配置。
LDB CL, # 1AH
STB CL,CR ；复位请求位置0，初
始化结束
EI
对CAN控制器进行初始化，实际上就是对ACR、AMR、BTR0、BTR1、OCR这些寄存器进行访问。只有当控制寄存器CR中的复位请求位为高时，访问才被允许，否则既写不进去，也读不出正确的内容。对CR进行第一次写操作，要设定将要开放的中断类型，并置位复位请求，允许初始化开始。对ACR、AMR进行写操作，要界定对什么样的报文予以接收，因此有时称它们为验收滤波器。当满足以下两个条件之一，并存在空的接收缓存器(RBF)时，完整报文可被正确接收。
条件一 :ACR与报文标识符的高 8位在AMR为“0”相关位上对应相等。
条件二 :AMR=0FFH，即ACR的所有位均为不相关(或屏蔽)位。
这两个寄存器也是编排标识符的基本依据。
对BTR0进行操作,可决定波特率预分频器 (BRP)和同步跳转宽度(SJW)的数值；对BTR1进行写操作,可决定位周期的宽度,采样点的位置及在每个采样点进行采样的次数。这两个寄存器的内容,可唯一确定波特率及同步跳转宽度。例如:程序中BTR0 =00H ,BTR1=14H ,晶振频率为16MHz时,采样时钟周期tSCL等于两倍的振荡器时钟周期。波特率刚好为1Mbps,同步跳转宽度为一个tSCL。
在编写程序时，还需特别注意的是，一个系统中的所有节点BTR0和BTR1的内容都应相同，否则控制系统将无法和上位机进行通信。对OCR进行写操作，可确定CAN控制器的输出方式，并建立起CAN总线要求的电平逻辑所需输出驱动器的配置。对CR进行第二次操作主要是清复位请求位,使SJA1000返回正常运行状态。成功的初始化SJA1000后,系统就可以应用它来传输报文。系统总体程序框图及中断服务程序框图见本刊网站。

结语
实践表明，SJA1000是一种较好的CAN总线控制器件，在PeliCAN模式下，其识别码达29位，因而可满足各种应用场合。在自动化控制系统中，合理安排这29位识别码可以使许多问题得以简化。此外PeliCAN模式增加的各种功能，如：各种错误处理功能大大地提高了用户程序处理各种通信错误的能力；支持热插拔和自身信息接收功能，使用户不必事先知道预设的波特率，从而大大地方便了通信的调试。