利用MC9S12（X）單片機(jī)構(gòu)建CAN總線網(wǎng)絡(luò)的研究

宋富強(qiáng)++熊武++馮宇飛++彭思苑++黃海波

摘要：飛思卡爾MC9S12（X）單片機(jī)的控制器局域網(wǎng)（MSCAN）是一種通信控制器，介紹基于使用該單片機(jī)的MSCAN模塊構(gòu)建小型網(wǎng)絡(luò)的研究，實(shí)現(xiàn)三塊單片機(jī)的實(shí)時(shí)交互通信。三塊單片機(jī)包括一塊主控制器和兩塊輔控制器，系統(tǒng)將兩塊輔控制器掛在主控制器的CAN總線上，與主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。其中，數(shù)據(jù)包括采集的環(huán)境溫度和用電壓模擬的車速。

關(guān)鍵詞：MC9S12（X）；CAN總線；通信

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）20-0210-03

CAN全稱為Controller Area Network，即控制器局域網(wǎng)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。最初，CAN是由德國的Bosch公司提出，被設(shè)計(jì)為汽車環(huán)境中的微控制器通信，在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。本文按照CAN總線協(xié)議設(shè)計(jì)了一個(gè)小型的CAN總線網(wǎng)絡(luò)，正文從硬件設(shè)計(jì)和軟件流程來進(jìn)行闡述。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 CAN接口電路

本文采用TJA1050作為CAN總線的接口芯片，它是一種標(biāo)準(zhǔn)的高速CAN收發(fā)器，可以為總線提供差動(dòng)發(fā)送性能和為CAN控制器提供差動(dòng)接收性能。

TJA1050的3引腳和2引腳分別為電源的正極和負(fù)極，連接5V電源和地。1引腳和4引腳為CAN模塊的發(fā)送和接收引腳，分別用于從CAN總線控制器中輸入發(fā)送到總線上的數(shù)據(jù)和將從總線接收的數(shù)據(jù)發(fā)送給CAN總線控制器，連接單片機(jī)的PM1和PM0引腳。7引腳和6引腳連接到CAN總線的CANH和CANL線上，信號使用差分電壓傳送，因此兩條信號線被稱為CAN_L和CAN_H。8引腳是工作模式選定引腳，該CAN接口芯片一共有高速、斜率控制和待機(jī)3種工作模式，把該引腳直接接地可選擇高速工作模式。在總線接口部分還要接一個(gè)120歐姆的匹配電阻。J_CAN是與CAN總線連接的接口。CAN總線接口電路見圖1：

1.2 電源模塊

電源模塊采用LM2940穩(wěn)壓芯片，將電壓從12V穩(wěn)到5V。原理圖中C11、C12、C13、C14、C15、C16分別為濾波電容，F(xiàn)11為濾波電感，D12是電源指示燈，防止指示燈被燒，串聯(lián)一個(gè)1K的電阻。其中PAD02接MC9S12（X）單片機(jī)的71引腳PAD02，采用固定電壓的AD轉(zhuǎn)換輸入。電源模塊電路圖見圖2：

1.3 AD采集電路

本文所設(shè)計(jì)的CAN小型網(wǎng)絡(luò)只用到兩路AD采集。因此電路圖中PAD00和PAD01分別接MC9S12（X）單片機(jī)的67腳和69腳，R44和R47采用1K的電阻，而R43和R46采用10K的電位器來進(jìn)行分壓調(diào)節(jié)。AD采集電路見圖3：

1.4 溫度傳感器模塊

設(shè)計(jì)中，我們用的溫度傳感器是DS18B20。用DS18B20有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①獨(dú)特的單線接口方式，只需一個(gè)接口引腳即可通信；②可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：+3.0V—+5.5V；③測溫范圍：-55℃—+125℃，在-10℃—+85℃圍內(nèi)精度為范圍內(nèi)精度為+0.5℃，分辨率為0.0625℃；④通過編程可實(shí)現(xiàn)9-12位的數(shù)字讀數(shù)方式。⑤多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫。溫度傳感器模塊原理圖見圖4：

1.5 LED顯示模塊

本設(shè)計(jì)的顯示模塊采用LCD12864液晶顯示屏，顯示的內(nèi)容有兩個(gè)輔控制器采集到的溫度和經(jīng)過兩個(gè)輔控制器AD轉(zhuǎn)換以及計(jì)算模擬出來的車速。經(jīng)過液晶屏的顯示，可以方便的知道CAN總線上的數(shù)據(jù)傳輸是否正確。LED顯示模塊原理圖見5：

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 MSCAN初始化程序的編寫

初始化按照下列過程實(shí)現(xiàn)：

1）首先檢測MSCAN是否處于工作模式；

2）進(jìn)入初始化模式中，正在進(jìn)行的任何發(fā)送或接收都會(huì)立即中止，與CAN總線失去同步。在進(jìn)入初始化模式時(shí)，必須要保證MSCAN不在工作狀態(tài)，否則中止正在發(fā)送的報(bào)文可能導(dǎo)致錯(cuò)誤發(fā)生。在初始化模式中，雖然MSCAN被停止，但是其接口寄存器仍然可以訪問；

1）設(shè)置相應(yīng)寄存器，依次設(shè)置CAN總線波特率、接收濾波方式、標(biāo)識符接收寄存器和標(biāo)識符掩碼寄存器；

2）使能CAN模塊，設(shè)置運(yùn)行模式（初始化、睡眠和工作三種模式）。MACAN初始化流程圖見圖6。

2.2 MSCAN發(fā)送程序的編寫

MACAN用報(bào)文來發(fā)送數(shù)據(jù)，首先選擇空閑的發(fā)送緩沖區(qū)，然后向該空閑緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)，最后設(shè)置改緩沖區(qū)的發(fā)送標(biāo)志位來將報(bào)文發(fā)送至CAN總線上。因此，用戶在發(fā)送報(bào)文緩存區(qū)寫入數(shù)據(jù)前，只需要通過相應(yīng)的寄存器（CANTBSEL）設(shè)置一個(gè)指針來訪問任何一個(gè)緩沖區(qū)。此算法不僅簡化了發(fā)送緩沖器選擇功能，而且這種機(jī)制還使程序軟件處理更為簡單。

MSCAN的發(fā)送流程：

首先，在發(fā)送前要檢測判是否存在可用緩沖區(qū)的寄存器（CANTDLG&7）是否為0。若該寄存器（CANTDLG&7=0），則說明三個(gè)緩沖區(qū)已滿，并且報(bào)文未被發(fā)出。此時(shí)若繼續(xù)選擇向緩沖區(qū)裝填數(shù)據(jù)，將導(dǎo)致先前發(fā)送的報(bào)文丟失。在沒出現(xiàn)問題的情況下，寄存器CANTDLG&7的值都為1，即存在可用的緩存區(qū)。檢測到CANTDLG&7=0，原因可能為：

①M(fèi)SCAN還沒來得及將報(bào)文發(fā)出；

②總線上的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題，沒有及時(shí)應(yīng)答，導(dǎo)致報(bào)文發(fā)送不成功。

⑴若沒有可用的緩存區(qū)，檢查硬件系統(tǒng)和程序是否出現(xiàn)問題，直到報(bào)文能順利發(fā)出；

⑵若有可用的緩沖區(qū)，則使用對應(yīng)的選擇緩沖區(qū)語句“CANTBSEL=CANTFLG”，選擇相應(yīng)的發(fā)送緩沖區(qū)。若有多個(gè)緩沖區(qū)空閑時(shí)，選擇的緩沖區(qū)的序號是最小的，即用“CANTBSEL=CANTFLG”和“CANTBSEL=1”語句，MSCAN會(huì)自動(dòng)選擇了第一個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)。

接著，要向緩存區(qū)寫入數(shù)據(jù)，具體有：CPU標(biāo)識符、數(shù)據(jù)段長度和需要發(fā)送的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)是以報(bào)文形式裝入的，而且用何種方式寫的報(bào)文，接收也會(huì)用同樣的方式，并且還要檢測發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)是否有誤。

最后，將已選擇的緩沖區(qū)標(biāo)記為發(fā)送，即置位發(fā)送標(biāo)志“CANTFLG=CANTBSEL”，與此同時(shí)，TXE標(biāo)志也會(huì)被清零。

此后MSCAN會(huì)自動(dòng)把數(shù)據(jù)裝入傳送隊(duì)列，傳送成功后將TXE置1，若用戶在先前使能發(fā)送中斷，則在此這個(gè)過程中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)發(fā)送中斷。當(dāng)然，在這個(gè)中斷過程中，發(fā)送用戶還可以繼續(xù)加載數(shù)據(jù)到發(fā)送緩沖區(qū)并重新發(fā)送。

當(dāng)然，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)也會(huì)出現(xiàn)同時(shí)有多個(gè)緩存區(qū)準(zhǔn)備發(fā)送，這時(shí)候如果同時(shí)發(fā)送必然導(dǎo)致錯(cuò)誤。為了解決這個(gè)問題，MSCAN模塊就給每個(gè)緩存區(qū)分配了一個(gè)8位的優(yōu)先級域，這就決定了在數(shù)據(jù)建立之前，用戶首先要對此域?qū)懭雰?yōu)先級。通過判斷域內(nèi)的優(yōu)先級即可判斷數(shù)據(jù)的優(yōu)先級，優(yōu)先級的值越小，則表示此緩沖區(qū)的優(yōu)先級越高。當(dāng)MSCAN每次參與總線仲裁和發(fā)生發(fā)送錯(cuò)誤時(shí)，都會(huì)進(jìn)行內(nèi)部的數(shù)據(jù)排列。若準(zhǔn)備發(fā)送的緩沖區(qū)不止一個(gè)，則MSCAN模塊會(huì)使用內(nèi)部的優(yōu)先級來決定先發(fā)送哪個(gè)緩沖區(qū)。

當(dāng)用戶有重要的數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，就必須給該數(shù)據(jù)較高的優(yōu)先級。如果MSCAN的三個(gè)緩存區(qū)都在發(fā)送數(shù)據(jù)。此時(shí)，就需要三個(gè)緩存區(qū)中優(yōu)先級比較低的數(shù)據(jù)停止發(fā)送來讓優(yōu)先級比較高的數(shù)據(jù)先發(fā)送。如果優(yōu)先級低的數(shù)據(jù)發(fā)送過程不能終止，用戶就需要對相應(yīng)的寄存器中的相應(yīng)位進(jìn)行設(shè)置（本單片機(jī)為CANTARQ寄存器中的ABTRQ位）來強(qiáng)行終止發(fā)送。

發(fā)送流程圖見圖7：

2.3 MSCAN 接收程序的編寫

同MSCAN有3個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)的發(fā)送機(jī)制類似，MSCAN有5個(gè)接收緩沖區(qū)，而且這5個(gè)接收緩沖區(qū)被交替映射到單個(gè)存儲器區(qū)域CANRXFG中。同發(fā)送緩存區(qū)一樣，這種機(jī)制也簡化了應(yīng)用軟件的編寫，提高了接收數(shù)據(jù)的效率。

接收已滿標(biāo)志CANRFLG寄存器的RXF位指示了前臺接收緩沖區(qū)的狀態(tài)，當(dāng)緩沖區(qū)中有正確的報(bào)文被接收時(shí)就設(shè)置接收已滿標(biāo)志，即將RXF置1。報(bào)文的接收有兩種方式：中斷接收和查詢接收。接收時(shí)，首先要檢查每條報(bào)文的標(biāo)識符是否通過濾波器。如果標(biāo)識符通過了濾波器，就將有效的報(bào)文寫入后臺接收緩存器中，MSCAN將后臺接收緩沖器中的報(bào)文內(nèi)容轉(zhuǎn)移到前臺接收緩沖器中，并設(shè)置接收已滿標(biāo)志（CANRFLG寄存器的RXF位）。而接收報(bào)文時(shí)必須從前臺接收緩沖器讀取報(bào)文，接收完后，將接收器已滿標(biāo)志（CANRFLG寄存器的RXF位）清零來釋放前臺接收緩沖器。而背景臺接收緩沖器接收到無效的報(bào)文時(shí)，該報(bào)文會(huì)被下一條覆蓋。用戶的中斷服務(wù)程序可以把數(shù)據(jù)從前臺緩沖區(qū)讀出，并置位RXF標(biāo)志以響應(yīng)中斷并釋放前臺緩沖區(qū)。

MSCAN接收流程：

①首先，要檢測接收器已滿標(biāo)志（CANRFLG寄存器的RXF位），當(dāng)接收器已滿標(biāo)志（CANRFLG寄存器的RXF位）置1時(shí)，表示接收緩沖器接收到了正確的報(bào)文；

②然后，檢測 CAN協(xié)議報(bào)文的模式，讀標(biāo)識符，讀取數(shù)據(jù)長度，讀取數(shù)據(jù)；

③最后，清接收器已滿標(biāo)志（CANRFLG寄存器的RXF位），以便接收下一個(gè)報(bào)文。

注意：對報(bào)文的檢測和讀取一定要在清接收器已滿標(biāo)志（CANRFLG寄存器的RXF位）之前進(jìn)行，否則該報(bào)文會(huì)被下一個(gè)報(bào)文覆蓋，從而丟失信息。讀取報(bào)文流程圖見圖8：

3 系統(tǒng)測試與總結(jié)

經(jīng)過一段時(shí)間的研究與設(shè)計(jì)，終于將“利用飛思卡爾MC9S12（X）單片機(jī)構(gòu)建CAN總線小型網(wǎng)絡(luò)”這個(gè)課題做完并經(jīng)過了測試。測試過程中，利用了CAN總線構(gòu)建了3個(gè)節(jié)點(diǎn)的小型網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對溫度和用電壓模擬的速度這些數(shù)據(jù)進(jìn)行了測量、傳輸和顯示。測量工具有：示波器、萬用表、溫度計(jì)、秒表等。經(jīng)過測試，利用飛思卡爾MC9S12（X）單片機(jī)CAN總線構(gòu)建的小型網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)良好，通信無誤且具有實(shí)時(shí)性，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

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