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CAN控制器SJA1000及其應(yīng)用
摘要：介紹CAN控制器SJA1000的特點(diǎn)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及SJA1000的寄存器結(jié)構(gòu)及地址分配；CAN協(xié)議通信格式。并以獨(dú)立CAN控制器SJA1000為例，結(jié)合CAN協(xié)議說(shuō)明了一種通用型CAN總線(xiàn)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：CAN總線(xiàn) SJA1000 單片機(jī)
1 SJA1000簡(jiǎn)介
SJA1000是PHILIPS公司早期CAN控制器PCA82C200的替代品，功能更強(qiáng)，具有如下特點(diǎn)：
①完全兼容PCA82C200及其工作模式，即BASICCAN模式；
②具有擴(kuò)展的接收緩沖器，64字節(jié)的FIFO結(jié)構(gòu)；
③支持CAN2.0B；
④支持11位和29位識(shí)別碼；
⑤位速率可達(dá)1Mbit/s；
⑥支持peliCAN模式及其擴(kuò)展功能；
⑦24MHz的時(shí)鐘頻率；
⑧支持與不同微處理器的接口；
⑨可編程的CAN輸出驅(qū)動(dòng)配置；
⑩增強(qiáng)了溫度范圍（-40℃～+125℃）。
圖1 SJA1000內(nèi)部結(jié)構(gòu)
2 SJA1000內(nèi)部結(jié)構(gòu)
SJA1000的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由接口管理邏輯IML、信息緩沖器（含發(fā)送緩沖器TXB和接收緩沖器RXFIFO）、位流處理器BSP、接收過(guò)濾器ASP、位時(shí)序處理邏輯BTL、錯(cuò)誤管理邏輯EML、內(nèi)部振蕩器及復(fù)位電路等構(gòu)成。IML接收來(lái)自CPU的命令，控制CAN寄存器的尋址并向控制提供中斷信息及狀態(tài)信息。CPU的控制經(jīng)IML把要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫(xiě)入TXB，TXB中的數(shù)據(jù)由BSP處理后經(jīng)BTL輸出到CAN BUS。BTL始終監(jiān)視CAN BUS，當(dāng)檢測(cè)到有效的信息頭“隱性電平-控制電平”的轉(zhuǎn)換時(shí)啟動(dòng)接收過(guò)程，接收的信息首先要由位流處理器BSP處理，并由ASP過(guò)濾，只有當(dāng)接收的信息的識(shí)別碼與ASP檢驗(yàn)相符時(shí)，接收信息才最終被寫(xiě)入RXB或RXFIFO中。RXFIFO最多可以緩存64字節(jié)的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可被CPU讀取。EML負(fù)責(zé)傳遞層中調(diào)制器的錯(cuò)誤管制，它接收BSP的出錯(cuò)報(bào)告，促使BSP和IML進(jìn)行錯(cuò)誤統(tǒng)計(jì)。
3 SJA1000的寄存器結(jié)構(gòu)及地址分配
表1是工作在BASIC CAN模式下的SJA1000的寄存器結(jié)構(gòu)及地址分配表。CAN控制器工作模式的設(shè)定、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收等都是通過(guò)這些寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。時(shí)鐘分頻寄存器OCR用于設(shè)定SJA1000工作于BASIC CAN還是PeliCAN，還用于CLKOUT引腳輸出時(shí)鐘頻率的設(shè)定，在上電初始化控制器時(shí)必須首先設(shè)定；在工作模式下，控制寄存器CR用于控制CAN控制器的行為，可讀可寫(xiě)；命令寄存器CMR只讀寫(xiě)；狀態(tài)寄存器SR只能讀；而IR、ACR、AMR、BTR0、BTR1、OCR在工作模式下讀寫(xiě)無(wú)意義。通常，在系統(tǒng)初始化時(shí)，先使CR.0=1，SJA1000進(jìn)入復(fù)位模式。在此模式下IR、ACR、AMR、BTR0、BTR1及OCR均可讀可寫(xiě)，此時(shí)設(shè)置相應(yīng)的初值。當(dāng)退出復(fù)位模式時(shí)，SJA1000即按復(fù)位時(shí)設(shè)定的相應(yīng)情況工作于工作模式，除非再次使芯片復(fù)位，否則上次設(shè)定的值不變。當(dāng)需要發(fā)送信息時(shí)，若發(fā)送緩沖器空閑，由CPU控制信息寫(xiě)入TXB，再由CMR控制發(fā)送；當(dāng)接收緩沖器RXFIFO未滿(mǎn)且接收信息通過(guò)ASP，則接收到的信息被寫(xiě)入RXFIFO。可通過(guò)兩種方法讀取接收到的信息。一種方法是，在中斷被使能的情況下，由SJA1000向CPU發(fā)中斷信號(hào)，CPU通過(guò)SR及IR可以識(shí)別該中斷，并讀取數(shù)據(jù)釋放接收緩沖器；另一種方法是直接讀取SR，查詢(xún)RXFIFO的狀態(tài)，當(dāng)有信息接收時(shí)，讀取該信號(hào)自并釋放接收緩沖器。當(dāng)接收緩沖器中多條信息時(shí)，當(dāng)前的信息被讀取后，接收緩沖器有效信號(hào)會(huì)再次有效，通過(guò)中斷方式或查詢(xún)方式可以再次讀取信息，查到RXFIFO中的信息被全部讀出止。當(dāng)RXFIFO已滿(mǎn)，如還有信息被接收，此接收信息不被保存，且發(fā)出相應(yīng)的緩沖器溢出信號(hào)供CPU讀取處理。
表1 SJA1000的寄存器結(jié)構(gòu)及地址分配表
接
收
緩
沖
器
4 CAN協(xié)議通信格式
CAN協(xié)議通信格式中有四種幀格式：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、出錯(cuò)幀和超載幀。其中數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的發(fā)送需要在CPU控制下進(jìn)行，而出錯(cuò)幀和超載幀的發(fā)送則是在錯(cuò)誤發(fā)生或超載發(fā)生時(shí)自動(dòng)進(jìn)行的。因此人們更關(guān)心前兩個(gè)幀的結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。
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一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀格式，除仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)外都是CAN控制器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)自動(dòng)加上去的，而仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)則必須由CPU控制給出。用SJA1000時(shí)，寫(xiě)出發(fā)送緩沖器的TXID0、TXID1即設(shè)定了相應(yīng)的仲裁場(chǎng)和控制場(chǎng)。TXID0即為仲裁場(chǎng)的高8位，TXID1的高3位為仲裁場(chǎng)的低3位，仲裁場(chǎng)共11位。TXID1的第5位為RTR位，即遠(yuǎn)程請(qǐng)求位，在數(shù)據(jù)幀中為“0”；TXID1低四位標(biāo)示數(shù)據(jù)場(chǎng)所含字節(jié)數(shù)的多少，稱(chēng)為DLC。RTR與DLC共同構(gòu)成控制場(chǎng)。發(fā)送的數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)場(chǎng)，最多不超過(guò)8個(gè)字節(jié)。遠(yuǎn)程幀與數(shù)據(jù)幀的形式差別在于沒(méi)有數(shù)據(jù)場(chǎng)。除此形式上的差別外，在遠(yuǎn)程幀中RTR位須置“1”，表示請(qǐng)求數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)向它的目的點(diǎn)（即發(fā)送遠(yuǎn)程幀的節(jié)點(diǎn)）發(fā)送數(shù)據(jù)。源節(jié)點(diǎn)接收到該幀后，把要發(fā)送數(shù)據(jù)用數(shù)據(jù)幀發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)，完成數(shù)據(jù)請(qǐng)求。CRC場(chǎng)與ACK場(chǎng)都是在低層次上為提高傳輸?shù)目煽啃远詣?dòng)進(jìn)行的。任何幀與幀之間是幀間空間。
5 設(shè)計(jì)實(shí)例
5.1 整體設(shè)計(jì)思路
這里用SJA1000與AT89C51芯片設(shè)計(jì)一種具有通用性的工業(yè)測(cè)試控制，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
CAN總線(xiàn)是一種多主總線(xiàn)，理論上任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以作為主節(jié)點(diǎn)。在本系統(tǒng)中設(shè)置與上位PC機(jī)相連的節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2為上位節(jié)點(diǎn)，其它節(jié)點(diǎn)為底層節(jié)點(diǎn)。在任務(wù)比較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)中，也可以只設(shè)置一臺(tái)上位PC機(jī)，PC機(jī)通過(guò)串口與節(jié)點(diǎn)上的CPU通信，CPU再與CAN控制器SJA1000通信，實(shí)現(xiàn)信息在CAN BUS上的發(fā)送與接收。節(jié)點(diǎn)1與節(jié)點(diǎn)2的結(jié)構(gòu)相同，而底層節(jié)點(diǎn)根據(jù)應(yīng)用的不同具有不同的功能。但它們都具有與CAN BUS通信的能力，上傳數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。
5.2 電路原理圖
節(jié)點(diǎn)1與節(jié)點(diǎn)2的原理圖如圖4所示。AT89C51通過(guò)MAX232與PC機(jī)串行通信。設(shè)置SJA1000工作于Intel模式，由PC機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)寫(xiě)入SJA1000并通過(guò)CAN收發(fā)器發(fā)送。接收數(shù)據(jù)是通過(guò)中斷進(jìn)行的，CAN BUS的數(shù)據(jù)經(jīng)CAN接口芯片82C250接收并寫(xiě)入SJA1000的RXFIFO，然后通過(guò)中斷提請(qǐng)CPU讀取。讀取的數(shù)據(jù)由RS232口上傳送給PC機(jī)。
在本系統(tǒng)中其它節(jié)點(diǎn)不與PC機(jī)通信，此時(shí)AT89C51除與SJA1000相接的口線(xiàn)外還剩余口線(xiàn)，可以做其它用途。如用于數(shù)據(jù)的采集，則與A/D轉(zhuǎn)換芯片相接即可；如與控制相關(guān)，則與控制口相接即可，這樣一來(lái)可以靈活地構(gòu)成各種系統(tǒng)。
5.3 軟件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為兩方面：（1）PC機(jī)軟件設(shè)計(jì)，可以用VC++、VB，也可以使用工控軟件完成。如只用于監(jiān)視系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于PC機(jī)與節(jié)點(diǎn)之間的通信。（2）節(jié)點(diǎn)上CPU的軟件設(shè)計(jì)。不論是節(jié)點(diǎn)1、2或是其它底層節(jié)點(diǎn)，都要用到CAN通信，因此都要設(shè)置CAN控制器。其初始化的流程圖如圖5所示。
圖4 節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的電路原理圖
具體的例程如下：
MOV DPTR，#CR ；控制寄存器CR的地址送DPTR
MOV A，#01H
MOVX @DPTR，A ；進(jìn)入復(fù)位模式
MOV DPTR，#CDR
MOV A，#00H
MOVX @DPTR，A ；選擇BASIC CAN模式、時(shí)鐘不輸出
MOV A，#NODECODE
MOVX @DPTR，A ；節(jié)點(diǎn)號(hào)NODECODE寫(xiě)入ACR
MOVX DPTR，#AMR
MOV A，#00H
MOV @DPTR，A ；AMR置為0，當(dāng)且僅當(dāng)RXID0=ACR時(shí)接收數(shù)據(jù)。
MOV DPTR，#BTR0 ；設(shè)定總線(xiàn)時(shí)序寄存器BTR0，系統(tǒng)采用12MHz晶振
MOV A，#85H ；分頻后總線(xiàn)時(shí)鐘頻率為2MHz
MOVX @DPTR，A ；同步跳轉(zhuǎn)寬度為3tscl
MOV DPTR，#BTR1 ；設(shè)定總線(xiàn)時(shí)序寄存器BTR1
MOV A，#0B4H ；位同步時(shí)間為1個(gè)tscl，采樣開(kāi)始位置TSEG1=5tscl
MOVX @DPTR，A ;TSEG2=4tscl，每一位時(shí)間10tscl（200kHz），每位采樣3次
MOV DPTR，#OCR ；設(shè)置輸出控制寄存器
MOV A，#1AH ；數(shù)據(jù)從TX0按正常輸出模式同極性輸出
MOV @DPTR，A ；TX1不用
MOV DPTR，#CR ；初始化完成，使控制器退出復(fù)位模式，進(jìn)入工作模式工作。
MOV A，#06H
MOV @DPTR，A
該初始化程序使SJA1000工作在BASIC CAN模式下，CAN總線(xiàn)位速率為200kHz。根據(jù)總線(xiàn)傳輸?shù)木嚯x不同速度可以調(diào)整。為提高其抗干擾性能，還可以在SJA1000與CAN總線(xiàn)收發(fā)器之間加光隔。各節(jié)點(diǎn)CPU的其它軟件設(shè)計(jì)應(yīng)視節(jié)點(diǎn)的功能而定，不再多述。
該系統(tǒng)用于城市區(qū)域交通中心信息采集及處理，已取得很好效果。由于傳輸距離較遠(yuǎn)，設(shè)定速率為10kHz，但可靠性較強(qiáng)，系統(tǒng)成本低廉。
CAN總線(xiàn)以其優(yōu)良的性能使其應(yīng)用方興未艾，以SJA1000為控制器構(gòu)成各種CAN總線(xiàn)系統(tǒng)方便、簡(jiǎn)單、成本低廉，這也是開(kāi)發(fā)與應(yīng)用其它CAN總線(xiàn)產(chǎn)品的基礎(chǔ)。
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