AT91M40800與CAN總線的接口設(shè)計(jì)與軟件編程

王小進(jìn) 李世學(xué)

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第712研究所， 武漢430064）

1 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)部各設(shè)備間通訊信息量逐漸增大，傳統(tǒng)的串口傳輸已成為數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i。文中的接口設(shè)計(jì)結(jié)合ARM芯片與CAN控制器具有高實(shí)時(shí)性、高傳輸速率、高可靠性等特點(diǎn)，完全適合于變電站上設(shè)備間的大數(shù)據(jù)量實(shí)時(shí)傳輸。

2 CAN控制器SJA1000介紹

SJA1000[1]是Philips生產(chǎn)的獨(dú)立CAN總線控制器，它是早期的 PCA82C200的替代產(chǎn)品。它與 PCA82C200在管腳、電氣特性上完全兼容，不僅有和 PCA82C200一樣的基本 CAN（BasicCAN）工作模式，而且新增加 CAN（PeliCAN）工作模式，這種模式支持具有很多特性的 CAN2.0B協(xié)議。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單連接和正確設(shè)置的SJA1000，能自動(dòng)完成CAN總線物理層和數(shù)據(jù)鏈路成的所有功能，對(duì)于 ARM 芯片AT91M40800來(lái)說(shuō)，只要把它堪稱一個(gè)基本的I/O設(shè)備即可，使用非常簡(jiǎn)單、方便。SJA1000的主要特性如下[2]：

（1）擴(kuò)展的接收緩沖器（64字節(jié)，先進(jìn)先出FIFO）；

（2）和CAN2.0B協(xié)議兼容；

（3）同時(shí)支持11位和29位識(shí)別碼；

（4）位速率最高可達(dá)1Mbits/s；

（5）支持多種微處理器接口；

（6）可編程的CAN輸出驅(qū)動(dòng)器配置。

3 AT91M40800簡(jiǎn)介[3]

采用RISC架構(gòu)的ARM微處理器一般具有如下特點(diǎn)：

（1）體積小、低功耗、低成本、高性能；

（2）支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件；

（3）大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；

（4）大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成；

（5）尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高；

（6）指令長(zhǎng)度固定。

AT9140800是美國(guó)ATMEL公司推出的AT91系列微控制器中的成員，它基于ARM7TDMI核，包含8KB SRAM、外部總線接口EBI和一些外圍部件。外圍部件包括定時(shí)器、USART和中斷控制器。AT91M40800是用于系統(tǒng)主控制器的理想通用微控制器，其內(nèi)核 ARM7TDMI處理器的性能使得可由軟件實(shí)現(xiàn)DMA、SPI和ISO7816接口等附加的外圍功能。

4 接口電路硬件設(shè)計(jì)[4]

CAN屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，其協(xié)議是建立在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織的開(kāi)放系統(tǒng)互連模型基礎(chǔ)上的，其模型結(jié)構(gòu)只有三層，只取OSI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和頂層的應(yīng)用層。其信號(hào)傳輸介質(zhì)為雙絞線。通信速率最高可達(dá)1 Mbps/40 m，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km/5 bps?？蓲旖釉O(shè)備最多可達(dá)110個(gè)。

CAN通信模塊的硬件電路主要包括：CAN通信控制器與微處理器之間，以及 CAN總線收發(fā)器與物理總線之間的接口電路。運(yùn)用AT91M40800和SJA1000設(shè)計(jì)的CAN總線節(jié)點(diǎn)接口電路如圖1所示。

用Philips獨(dú)立CAN控制器SJA1000作為通信控制器，使用Philips的82C251作為CAN控制器接口芯片，為了增強(qiáng) CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，SJA1000的TX0和RX0通過(guò)采用高速光耦 6N137實(shí)現(xiàn)收發(fā)器與控制器之間的電氣隔離，滿足在最高速率1Mb/s下的電氣響應(yīng)。

圖1 CAN通信接口電路

5 ARM軟件編程

基于AT91M40800和SJA1000設(shè)計(jì)的CAN總線節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要包括三大部分：SJA1000初始化、AT91M40800外部中斷設(shè)置、報(bào)文發(fā)送與接收。結(jié)合圖1接口電路圖來(lái)從以下三個(gè)方面對(duì)ARM軟件編程進(jìn)行簡(jiǎn)要描述：

5.1 SJA1000的初始化

SJA1000具有兩種工作模式，即 BasicCAN模式和PeliCAN模式。在BasicCAN模式下支持CAN2.0A協(xié)議，在PeliCAN模式下支持CAN2.0B協(xié)議，功能更加強(qiáng)大。本節(jié)點(diǎn)是將SJA1000設(shè)置成在PeliCAN模式下工作。SJA1000的初始化只有在復(fù)位模式下才可以進(jìn)行，具體的初始化主要注意以下幾個(gè)方面：

① 設(shè)置為復(fù)位模式：向MOD模式寄存器中寫(xiě)入0x09選擇單濾波驗(yàn)收，進(jìn)入復(fù)位模式；

② 設(shè)置工作模式和時(shí)鐘分頻：向時(shí)鐘分頻寄存器CDR中寫(xiě)入0x88選擇PeliCAN模式，關(guān)閉時(shí)鐘輸出CLKOUT，跳過(guò)輸入比較器；

③ 設(shè)置中斷使能：開(kāi)放發(fā)送中斷超載中斷和錯(cuò)誤警告中斷；

④ 定義驗(yàn)收代碼和屏蔽代碼；

⑤ 設(shè)置通訊波特率；

⑥ 設(shè)置為正常操作模式：向MOD模式寄存器中寫(xiě)入0x08，將SJA1000設(shè)為單濾波的總廠操作模式，這樣SJA1000就可以開(kāi)始正常工作了。

5.2 AT91M40800外部中斷設(shè)置

AT91系列微控制器內(nèi)部的有一個(gè)8優(yōu)先級(jí)、可單獨(dú)屏蔽的向量中斷控制器，稱為先進(jìn)中斷控制器 AIC（Advanced Interrupt Controller）。AIC可以將中斷處理的程序及時(shí)間開(kāi)銷大大降低。中斷控制器方框圖如圖2所示。

圖2 中斷控制器方框圖

AIC中斷源如表1所示，從圖2可以看到，中斷控制器與ARM7TDMI的NFIQ(fast interrupt request)和 NIFQ（standard interrupt request）相連。NFIQ只能由快速請(qǐng)求引腳 FIQ產(chǎn)生，而 NIRQ則可以由片內(nèi)外圍及外部中斷請(qǐng)求線 IRQ0～I(xiàn)RQ2產(chǎn)生。8優(yōu)先級(jí)中斷編碼器允許用戶定義不同NIRQ中斷源的優(yōu)先級(jí)。

內(nèi)部中斷源可編程為電平敏感中斷或是邊沿觸發(fā)中斷。外部中斷則可編程為上升沿、下降沿觸發(fā)和高電平、低電平中斷敏感。

節(jié)點(diǎn)電路中把SJA1000作為AT91M40800芯片的一個(gè)I/O設(shè)備來(lái)看待，設(shè)定IRQ2為優(yōu)先級(jí)為2的中斷源，在初始化完成后進(jìn)入中斷服務(wù)程序，中斷服務(wù)完成后，程序繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)的代碼。

表1 AIC中斷源

外部中斷設(shè)置步驟：

首先假設(shè)：第一、AIC已經(jīng)正確編程，AIC_SVR也已經(jīng)寫(xiě)入正確的中斷服務(wù)程序的入口地址，且中斷已經(jīng)使能；第二、地址0x18（IRQ中斷向量地址）指令為

LDR PC,[PC,# -&F20]

當(dāng)NIRQ到來(lái)，且CPSR的位I為0時(shí)，步驟如下：

① CPSR被拷貝到SPSR_irq，當(dāng)前程序計(jì)數(shù)器PC的值被保存到IRQ鏈接寄存器（R14_irq），同時(shí)PC(R15)自身被賦予新值0x18；

② ARM內(nèi)核進(jìn)入IRQ模式；

③ 當(dāng)指令 LDR PC,[PC,# -&F20]得到執(zhí)行后，PC就被賦予了AIC_IVR的內(nèi)容；

④ 上一步驟將程序跳轉(zhuǎn)到了對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序；

⑤ 清零CPSR的位I就可以使其它中斷不被屏蔽，再施加的NIRQ可以被內(nèi)核接受；

⑥ 接著，中斷例程可以保存相應(yīng)的寄存器以保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)；

⑦ 在退出中斷之前首先要置位 CPSR的位I，以便屏蔽其它中斷，保證多個(gè)中斷有序地完成；

⑧ 在結(jié)束中斷之前還必須執(zhí)行一次對(duì)AIC_EOICR的寫(xiě)操作，向AIC表明中斷已經(jīng)完成；

⑨ SPSR(SPSR_irq)被恢復(fù)。

5.3 報(bào)文發(fā)送與接收[5]

SJA1000接受到匹配的數(shù)據(jù)幀后向控制器發(fā)出中斷請(qǐng)求，接收數(shù)據(jù)只需從接收緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，將其放在發(fā)送緩沖區(qū)中。AT91M40800與SJA1000構(gòu)成的 CAN節(jié)點(diǎn)通信是一個(gè)半雙工通信模式，報(bào)文發(fā)送的前提是報(bào)文接收到的字節(jié)符合協(xié)議格式，在確定接收?qǐng)?bào)文正確后給出協(xié)議響應(yīng)來(lái)完成報(bào)文的發(fā)送。節(jié)點(diǎn)接收和發(fā)送程序流程圖如圖3和圖4所示。

圖3 接收流程圖

圖4 發(fā)送流程圖

6 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)可以作為 CAN總線節(jié)點(diǎn)的一個(gè)模塊應(yīng)用于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)，可確保實(shí)現(xiàn)變電站通信的實(shí)時(shí)性、可靠性及高速率傳輸性，可以大大促進(jìn)變電站綜合自動(dòng)化的進(jìn)程。

[1] Philips Semiconductors.SJA1000 Stand_alone CAN controller[S].2000.

[2] 鄔寬明. CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京:航空航天大學(xué)出版社，2000.

[3] 馬忠梅等. AT91系列ARM核微控制器結(jié)構(gòu)與開(kāi)發(fā)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[4] 楊紅科, 雷立英. 基于SJA1000的CAN總線接口電路的設(shè)計(jì)[J]. 南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2006(6):54-56.

[5] 黎新亮, 關(guān)沫, 馬君璞. 基于SJA1000的CAN總線通訊模塊的設(shè)計(jì).[J] 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004(1):99-102.