摘要：CAN總線是一種應用廣泛的實時性現場總線，提出了基于具有ARM7TDMI內核的32位微控制器的CAN總線智能節點設計方案。詳細介紹了ARM控制（LPC2294）的特點、智能節點的結構以及系統軟件設計，同時結合現場實際使用給出了硬件抗干擾措施。
關鍵詞：CAN總線 ARM 嵌入式控制器
CAN(Controller Area Network)即控制器局域網，CAN總線是國際上應用最廣泛的現場總線之一。它最早是由德國Bosch公司推出的，CAN通信協議是一種用于汽車內部測量與執行部件之間的數據通信協議。
作為一種技術先進、可靠性高、功能完善、成本合理的遠程網絡通訊控制方式，CAN總線已被廣泛應用于各個自動化控制系統中。例如，在汽車電子、自動控制、智能大廈、電子系統、安防監控等各領域中，CAN總線具有不可比擬的優越性。本設計給出CAN總線節點方案。它采用內置多路CAN總線控制器PLC2294作為主控制器，使得該節點體積小、功耗低、抗干擾性好，因而特別適用于汽車、工業控制以及醫療系統和容錯維護總線中。
1 硬件設計
1.1 LPC2294的特點
ARM7系列具有ARM7TDMI內核的32位嵌入式微處理器是目前應用很廣的嵌入式RISC處理器。該系列芯片體積小、功耗低、成本低，高性能與靈活性相結合，有較多的寄存器，提供了擴充的增強的固定長的16/32位雙指令集。用16位的Thumb指令可以節省高達35%的空間。另外它還實行注水線作業，提供嵌入式ICE2RT邏輯，支持片上斷點和調試點支持，具有先進的軟件開發和調試環境。
本設計選用的LPC2294是PHILIPS公司新推出的一款功能強大的超低功耗的具有ARM7TDMI內核的32位微控制器。144腳封裝、兩個32位定時器、八路10位ADC、四路CAN通道和PWM通道以及多達九個的外部中斷，內部嵌入256K字節高速Flash存儲器和16K字節靜態RAM，包含76（使用了外部存儲器）~112（單片）個GPIO口。如此豐富的片上資源完全可以滿足一般的工業控制的需要，同時還可以減少系統硬件設計的復雜度。另外，LPC2294支持JTAG實時仿真和跟蹤、128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構，使32位代碼能夠在高達60MHz的操作頻率下運行。
LPC2294內部集成有四路CAN控制器：符合CAN規范CAN2.0B,ISO 11989-1標準：總線數據波特度均可達1Mbps；可訪問32位的寄存器和RAM；全局驗收過濾器可識別幾乎所有總線的11位和29位Rx標識符；驗收過濾器為選擇的標準標識符提供了FullCAN-style自動接收功能。
作為本設計的核心部件，LPC2294不僅擔起主控制器的作用，同時還作為CAN網絡的節點控制器，與網絡中的其它節點實現數據傳輸與交換。
1.2 CAN節點硬件電路組成
CAN節點硬件電路如圖1所示，由ARM微控制器LPC2294、CAN總線收發器TJA1050T、高速光耦6N137和電源隔離模塊B0505S等組成。
主控芯片LPC2294的晶振頻率范圍為1～30MHz。本設計選晶振頻率為20MHz，通過設置內部的VPB分頻器可以提高CPU時鐘頻率。內部256K字節的高速Flash存儲器用于代碼和數據的存儲。對于FLASH存儲器，可通過內置的串行JTAG接口進行在系統編程（ISP），或進行在應用編程（IAP）。為了便于調試和系統升級，在設計中可以預留這些接口電路。
LPC2294采用雙電源供電。CPU的供電電壓范圍為1.65～1.95V(1.8V±8.3%),I/O的供電電壓范圍為3.0～3.6V(3.3V±10%)。
收發器TJA1050T是CAN協議控制器和物理總線之間的接口，它與“ISO 11898”標準完全兼容。CANH和CANL理想配合，可使電磁輻射減到更低。除此之外，TJA1050T不上電時，總線呈現無源特性，這使得TJA1050T在性能上大大優于以前的CAN總線收發器。TJA1050T有兩種工作模式：高速模式和靜音模式（它們由引腳“S”來控制）。在高速模式中，總線輸出信號有固定的斜率，并且以盡量快的速度切換。高速模式適用于最大位速度和最大總線長度的情況，而且此時其收發器循環延遲最小。靜音模式時發送器是禁能的。它不管TxD的輸入信號。靜音模式可以防止CAN控制器不受控制時對網絡通訊造成堵塞。
1.3 硬件的抗干擾設計
在本設計所應用的場合中，產生電磁信號的設備較多，包括超短波設備、音頻設備、電源等，因此抗干擾設備顯示尤其重要。主要采取了以下措施：
（1） 為了進一步提高CAN總線節點的抗干擾能力，保證各節點之間在電氣上是完全隔離和獨立的，LPC2294的TX0和RX0分別通過高速光耦6N137與TJA1050T的TXD的RXD相連。不過，應該特別說明的是，光耦部分電路所采用的兩個電源必須完全隔離，否則采用光耦也就失去了意義。電源的完全隔離采用小功率電源隔離模塊B0505S。電路雖復雜一些，但是卻提高了節點的穩定性和安全性。
（2） 在CAN總線的兩端加有兩個120Ω的電阻，這兩個電阻對于總線阻抗的匹配起著相當重要的作用。去掉它們會使數據通信的抗干擾性及可靠性大大降低，甚至無法通信。
（3） CANH和CANL與地之間并聯了兩個30pF的小電容，可以濾除總線上的高頻干擾并且具有一定的防電磁輻射的能力；在兩根CAN總線接入端之間并入了5.6V的TVS管，當CAN總線竄入電壓干擾時可通過TVS管的短路起到一定的過壓保護作用。
（4） 為了減小現場對節點的干擾，有用屏蔽雙絞線，且根據實際使用經驗，屏蔽電纜的屏蔽層無需接地。
2 軟件設計
軟件調試環境采用ARM公司的ARM核處理器集成開發工具ADSv1.2。ADSv1.2集成了匯編、C、C++編譯器和調試器，編譯效率高，提供了功能強大的系統庫，支持軟件調式、JTAG仿真調試及硬件調試。本設計采用的是JTAG仿真調試。
對于一般的32位ARM應用系統，在運行主程序前必須初始化運行環境，即為ARM芯片編寫啟動代碼。該啟動代碼包括異常向量表、堆棧初始化、存儲系統初始化和目標板初始化等，一般用匯編語言編寫。對于該設計來說，關鍵的是編寫CAN驅動程序。主程序只需通過調用驅動程序提供的接口來實現數據的接收和發送，驅動程序包括四部分內容：CAN控制器的初始化、接收數據、發送數據和總線異常處理。圖2為主程序流程圖。
2.1 CAN控制器初始化
初始化CAN控制器的操作包括：硬件使能、軟件復位、設備報警界限、設備總線波特率、設備中斷工作方式、設備驗收濾波器工作方式、設備工作模式并啟動CAN等。初始化程序如下：
HwEnCAN(CanEum); //硬件使能，CanNum=0～3,指四路CAN控制器
SoftRstCAN(CanNum); //軟件復位寄存器
CANEWL(CanNum).Bits.EWL_BIT=USE_EWL_LAN[CanNum]; //設置錯誤警告界限
CANBTR(CanNum).Word=USE_BTR_CAN[CanNum]; //初始化波特率
VICDefVectAddr=(UINT32)CANIntPrg; //初始化中斷為非向量中斷
VICIntEnable 1=(1<<19)|(1<<(20+CanNum))|(1<<26+CanNum));
CANIER(CanNum).Word=USE_INT_CAL[CanNum];
CANAFMR.Bits.Accbp_bit=1; //配置驗收濾波器（旁路狀態，即屏蔽驗收濾波器）
CANMOD(CanNum).Bits.TPM_BIT=USE_TPM_CAN[CanNum]; //初始化工作模式
CANMOD(CanNum).Bits.LOM_BIT=USE_MOD_CAN[CanNum];
SoftEnCAN(CanNum); //啟動CAN
LPC2294片內外設與引腳的連接由引腳連接模塊控制。CAN控制器的硬件使能就是通過軟件設備GPIO寄存器來控制多路開關的，將特定的引腳與CAN控制器連接起來。在設備各CAN寄存器之前必須進行軟件復位，這是因為CAN的某些寄存器必須在軟復位狀態下讀寫。
值得注意的是，LPC2294為所有的CAN控制器提供了全局接收標識符查詢功能。2KRAM可容納1024個標準標識符或者512個擴展標識符或兩種類型混合的標識符。通過軟件處理，可在該RAM中設置存放1～5個標識符表格。與獨立CAN控制器SJA1000相比，它能更容易地任意復雜的ID進行篩選過濾，滿足復雜的ID的接收過濾要求。這無疑大大減少了系統軟件設計復雜度及運行時的負擔。設置驗收濾波器工作方式，必須首選創建LUT表格，指定每個表格的起始地址，并用實際的ID地址初始化該表格。最后設定驗收過濾器模式寄存器。若該節點不主動發送數據，可選擇在總線不活動時進入睡眠模式。
2.2 數據發送
將待發送的數據打包成符合CAN協議的幀格式后，便可寫入發送緩站區，并自動發送。圖3為發送子程序流程圖。
在寫發送緩沖區前必須查詢其狀態。LPC2294中的每個CAN控制器有三個發送緩沖區，它們的狀態可通過查詢CANSR得知。只有當其中有空間的發送緩沖區即才將數據寫入。在發送大量數據時，這一步顯得尤其重要，否則發送可靠性將不能保證。啟動發送成功后，只能通過查詢CANGSR的TCS位或配置發送成功中斷來判斷數據是否發送成功。
2.3 數據接收
接收數據可采用查詢方式或中斷方式。在某一段時間內，CAN總線并不是總是在活動，為了提高效率，可采用中斷方式。在初始化程序中必須使能接收中斷。在中斷服務子程序中，讀取CANICR，判斷是否有接收中斷標志，有則讀取接收緩沖區數據。為了防止接收緩沖區數據溢出，可開辟一個循環接收數據隊列來暫時存儲數據，主程序則通過查詢該隊列來獲得總線數據。
2.4 異常情況處理
在線總線發生嚴重故障的情況下，CAN節點有可能脫離總線，此時以下寄存器位被置位：CANSR的BS位、CANIR的BEI位和EI位（如果使能）和CANMOD的RM位。RM將許多CAN控制器功能復位和禁止。軟件下一步必須置零RM位。發送錯誤計數器將遞減計數總線釋放條件（11個連續的隱性位）的第128個事情。軟件可通過讀取Tx錯誤計數器對計數器遞減計數的情況進行監測。
在應用中，若前面傳輸到CAN控制器的數據未被讀出，而接收緩沖區又沒有及時釋放，就有可能引起后面信息的丟失。這時必須通過寫命令寄存器來清除CANSR的數據溢出位。這兩種異常可通過異常中斷來處理，只要在中斷子程序中加入處理代碼即可。其它的總線異常處理可根據使用情況決定是否在軟件中處理。
總之，軟件的編寫和規劃相當重要。ARM7TDMI指令集是基于RISC的，具有32位ARM/16位Thumb雙指SR相互調用。因此，為了提高程序代碼密度，某些對性能要求不高的代碼可用Thumb指令集編寫。
由于該方案體積小、功耗低、抗干擾性好，現已應用于電磁環境復雜的某車載通信設備中，滿足了該項目對CAN網絡點節的要求。
