基于CAN總線的單片機與數(shù)字信號處理器通信系統(tǒng)設(shè)計-設(shè)計應用

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眾所周知，雖然目前8位單片機正逐漸被速度高，性能強的16位或32位微處理器所取代，但8位單片機仍以其低廉的價格、豐富的外圍芯片以及眾多的多功能產(chǎn)品而在低端應用市場占據(jù)主流地位。數(shù)字信號處理器(DigitalSignalProcessor，DSP)作為一種具有高速數(shù)字信號處理能力的新型單片機，在通信、自動控制、航天航空、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域廣泛應用。在比較復雜的測控系統(tǒng)中，如微機電動機保護裝置，要求在毫秒級的短時間內(nèi)對電動機實現(xiàn)實時保護和測量，所以對裝置硬件系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)處理能力要求較高，而傳統(tǒng)的基于單CPU微處理器的方案己經(jīng)難以勝任。因此，這里采用數(shù)字信號處理器與單片機構(gòu)成的雙CPU結(jié)構(gòu)。由數(shù)字信號處理器完成多通道A／D轉(zhuǎn)換、各種判據(jù)算法的運算等功能，而單片機作為整個裝置的控制單元，主要負責實時時鐘控制、參數(shù)管理、人機接口及串并行通信接口的控制等。這種雙CPU結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮數(shù)字信號處理器與單片機各自的功能特點。其中，雙CPU系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信可采用雙口RAM、串行通信等方式，但這兩種方式存在只能實現(xiàn)點對點通信，通信速度慢，可靠性差等缺點，不利于系統(tǒng)擴展。因而研究通信速度快，可靠性高，實時性強的CAN總線通信系統(tǒng)具有重要意義。

1CAN總線介紹

控制器局域網(wǎng)絡(ControllerAreaNetwork，CAN)是一種串行多主站控制器局域網(wǎng)總線。它具有很高的網(wǎng)絡安全性、通信可靠性和實時性，而且簡單實用，網(wǎng)絡成本低，特別適用于環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業(yè)環(huán)境。CAN總線可有效支持分布式控制或?qū)崟r控制。該總線的通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖。其主要特點如下：

(1)CAN總線為多主站總線，各節(jié)點可在任意時刻向網(wǎng)絡上的其他節(jié)點發(fā)送信息，且不分主從；

(2)CAN總線采用獨特的非破壞性總線仲裁技術(shù)，高優(yōu)先級節(jié)點優(yōu)先傳送數(shù)據(jù)，故實時性好；

(3)CAN總線具有點對點、一點對多點及全局廣播傳送數(shù)據(jù)的功能；

(4)CAN總線采用短幀結(jié)構(gòu)，每幀有效字節(jié)數(shù)多為8個，數(shù)據(jù)傳輸時間短，并有CRC及其他校驗措施，數(shù)據(jù)出錯率極低；

(5)CAN總線上某一節(jié)點出現(xiàn)嚴重錯誤時，可自動脫離總線，而總線上的其他操作不受影響；

(6)CAN總線系統(tǒng)擴充時，可直接將新節(jié)點掛在總線上，因而走線少，系統(tǒng)擴充容易，改型靈活；

(7)CAN總線的傳輸速率可達1Mb／s，直接通信距離遠可達10km(速率在5Kb／s以下)；

(8)CAN總線上的節(jié)點數(shù)取決于總線驅(qū)動電路，在標準幀(11位報文標識符)時，可達到110個，而在擴展幀(29位報文標識符)時，個數(shù)不受限。

2單片機與數(shù)字信號處理器CAN通信系統(tǒng)接口電路設(shè)計

單片機與數(shù)字信號處理器種類較多，在研究其通信系統(tǒng)時，以廣泛使用的MCS-51單片機以及適于運動控制的美國德州儀器(TI)公司TMS320LF2407為例進行研究。

2．1單片機通信系統(tǒng)接口電路設(shè)計

MCS-51單片機組成CAN通信系統(tǒng)需要擴展CAN控制器，本系統(tǒng)采用的CAN控制器是SJA1000。SJA1000是PHILIPS公司生產(chǎn)的既支持CAN2．0B，又支持CAN2．0A的CAN控制器。與SJA1000配套使用的CAN總線驅(qū)動器是PCA82C250，它是PHILIPS推出的CAN控制器和物理總線接口芯片，可提供對總線的差分發(fā)送和接收。CAN模塊總線控制器、總線驅(qū)動器連接基本方法如圖1所示。為增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，SJA1000通過高速光耦6N137后與PCA82C250相連，這樣就能很好地實現(xiàn)本系統(tǒng)與CAN總線的電氣隔離。電源的隔離采用小功率電源隔離模塊。這些部分雖然增加了接口電路的復雜性，但是卻提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

TMS320LF2407內(nèi)部集成一個完全的CAN控制器，但CAN控制器必須通過CAN驅(qū)動芯片才能與其他CAN控制器進行通信，這里采用PCA82C250。因為TMS320LF2407用3．3V供電，而PCA82C250用5V供電。TMS320LF2407通過高速光耦6N137后與82C250相連，不僅增強了CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，而且實現(xiàn)了電平轉(zhuǎn)換。

3數(shù)字信號處理器與單片機通信系統(tǒng)軟件設(shè)計

數(shù)字信號處理器與單片機組成的CAN總線通信系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信時，應約定通信協(xié)議，如幀格式、波特率、標識符等。各節(jié)點軟件設(shè)計均包括數(shù)據(jù)發(fā)送和接收子程序以及CAN總線控制器初始化子程序。這里著重研究CAN總線控制器的初始化。

3．1單片機通信系統(tǒng)軟件設(shè)計

單片機CAN通信系統(tǒng)軟件設(shè)計主要是指SJA1000總線控制器的初始化程序設(shè)計。

CAN總線控制器初始化程序主要是通過對SJA1000寄存器寫入相應的控制字，從而確定SJA1000的工作方式。SJA1000需要初始化的寄存器有：模式寄存器MODE、時鐘分頻寄存器CDR、接收代碼寄存器ACR、接收屏蔽寄存器AMR、中斷使能寄存器IER、總線定時寄存器BTR、輸出控制寄存器OCR等。其中，總線定時寄存器BTR的值決定CAN通信波特率，而波特率正確與否，是數(shù)字信號處理器與單片機實現(xiàn)CAN通信的關(guān)鍵。因為這些寄存器僅能在SJA1000復位期間進行寫訪問，因此在對這些寄存器初始化之前，必須確保系統(tǒng)進入復位狀態(tài)，在初始化后，須清除復位請求位，使SJA1000返回正常運行狀態(tài)，其初始化子程序如下：

3．2數(shù)字信號處理器通信系統(tǒng)軟件設(shè)計

在使用數(shù)字信號處理器CAN控制器前必須對它的一些內(nèi)部寄存器進行設(shè)置，如對位定時器的設(shè)置及對郵箱進行初始化。位定時器主要由CANBCR1和CANBCR2兩個寄存器組成，配置對位定時器也就是設(shè)置這兩個寄存器，其值決定了CcAN控制器的通信波特率、同步跳轉(zhuǎn)寬度、采樣次數(shù)和重同步方式等。對郵箱初始化主要是對郵箱進行配置，設(shè)置郵箱的標識符以及接收濾波器的設(shè)置等。CAN控制器初始化子程序如下：

4結(jié)語

單片機與數(shù)字信號處理器CAN總線通信系統(tǒng)實驗過程中，發(fā)送端采用查詢方式，接收端采用中斷方式，利用鍵盤改變發(fā)送數(shù)據(jù)，接收端利用液晶顯示器實時顯示接收數(shù)據(jù)。反復試驗表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定性較高；該系統(tǒng)硬件電路或軟件程序稍加改動可用于單片機與數(shù)字信號處理器或數(shù)字信號處理器與數(shù)字信號處理器等雙CPU或多CPU測控系統(tǒng)中，且應用前景廣闊。

參考文獻:

[1].MCS-51datasheet/datasheet/MCS-51_477840.html.[2].TMS320LF2407datasheet/datasheet/TMS320LF2407_309787.html.[3].SJA1000datasheet/datasheet/SJA1000_