基于DSP的CAN總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

白龍+王淑玉+付東輝+陳玉強(qiáng)

摘 要：文章利用TI公司的TMS320LF2407A內(nèi)嵌的CAN控制器模塊，構(gòu)成了CAN總線通訊網(wǎng)絡(luò)，給出了其硬件和軟件設(shè)計的一般方法，從而為基于DSP的CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建提供了一種模型化設(shè)計，設(shè)計具有較強(qiáng)的靈活性和通用性，可用于多種工業(yè)現(xiàn)場控制。

關(guān)鍵詞：DSP；CAN總線網(wǎng)絡(luò)；設(shè)計

中圖分類號：TP332 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）22-0023-02

隨著工業(yè)自動化的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)已經(jīng)難于實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間以及系統(tǒng)與外界的信息交換，成為了“信息孤島”。而現(xiàn)場總線CAN（Controller Area Network）是眾多現(xiàn)場總線中唯一具有國際標(biāo)準(zhǔn)的控制器局域網(wǎng)，CAN總線采用報文短幀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時性，另外它還具有傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速率高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場、控制智能大廈、小區(qū)安防、汽車行業(yè)、家用電器、醫(yī)療儀器及環(huán)境監(jiān)控等眾多領(lǐng)域。因此CAN總線已成為最有發(fā)展前途的現(xiàn)場總線之一[1]。

本文提出了一種較為通用的CAN總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計，利用TI公司的TMS320LF2407A的CAN控制器模塊組成通訊網(wǎng)絡(luò)，詳細(xì)給出了其硬件電路和軟件設(shè)計原理。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 CAN總線網(wǎng)絡(luò)的單個節(jié)點(diǎn)設(shè)計

美國德州儀器公司生產(chǎn)的TMS320LF2407A控制器內(nèi)嵌CAN模塊，支持最新的CAN2.0B通信協(xié)議，并利用內(nèi)部郵箱實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，當(dāng)總線的報文出現(xiàn)沖突和丟失數(shù)據(jù)時，啟動非破壞性仲裁和自動重發(fā)送功能。通過DSP2407構(gòu)成CAN節(jié)點(diǎn)其硬件設(shè)計簡單，只要在外部增加CAN總線驅(qū)動即可，PCA82C250是飛利浦公司生產(chǎn)的支持CAN2.0B通信協(xié)議的驅(qū)動芯片[2]。DSP2407和PCA82C250構(gòu)成的CAN接口硬件電路如下圖1所示，DSP2407通過穩(wěn)壓芯片獲得3.3V電源，PCA82C250則為5V電源，為了抑制總線回路中的回波反射，在總線終端接了阻值為120Ω的匹配電阻R4，由于CAN總線的電平與TTL電平不兼容，因此利用阻值為10kΩ的R1、阻值為3kΩ的R2、阻值為4kΩ的R3和快速回復(fù)二級管1N4007的D1構(gòu)成電平轉(zhuǎn)換電路。

1.2 單個節(jié)點(diǎn)的外圍電路

為了使CAN總線網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點(diǎn)都能實(shí)現(xiàn)基本控制、參數(shù)修改、報警、存儲、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化及控管一體化的綜合自動化功能。我們以TI公司的TMS320LF2407A為控制核心設(shè)計了一種典型的單個節(jié)點(diǎn)的外圍電路，如圖2所示。

1.3 CAN總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

CAN總線網(wǎng)絡(luò)是由多個CAN節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，總線上可同時最多連接110個CAN節(jié)點(diǎn)。通訊介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，當(dāng)通訊速率為5kbps以下時，通訊的最大距離可以超過10km，而當(dāng)通訊距離小于40m時，通訊的最大速度可以超過1Mbps[3]。當(dāng)CAN總線網(wǎng)絡(luò)中某個節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)重大錯誤情況，該節(jié)點(diǎn)將自動關(guān)閉輸出功能，從而使得總線網(wǎng)絡(luò)中上其他CAN節(jié)點(diǎn)的功能不受影響。圖3為CAN總線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)框圖。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 初始化CAN控制器

由于CAN通訊用到的兩個引腳CANTX和CANRX均為復(fù)用I/O口，因此在初始化時一般先要正確配置這兩個I/O口，初始化定時器主要是對BCR1和BCR2進(jìn)行配置，BCR1和BCR2兩個寄存器決定了CAN控制器的通訊波特率、同步跳轉(zhuǎn)寬度、采樣次數(shù)和重同步方式。在整個設(shè)置過程中需對MCR寄存器中的改變配置請求位CCR和GSR寄存器中的CCE位進(jìn)行判斷和適當(dāng)?shù)呐渲谩?/p>

初始化郵箱主要是設(shè)置郵箱的標(biāo)識符、確定發(fā)送的是遠(yuǎn)程幀還是數(shù)據(jù)幀，以及對發(fā)送的數(shù)據(jù)區(qū)賦初值。這個過程中需要對MDER寄存器中的郵箱使能位MEn（n=0～5）和MCR寄存器中數(shù)據(jù)域改變請求位CDR進(jìn)行適當(dāng)配置。

2.2 信息的發(fā)送

CAN控制器在發(fā)送過程中共有四個郵箱可以使用，其中郵箱4和郵箱5為專用的發(fā)送郵箱，而郵箱2和郵箱3需對MDER寄存器中的郵箱使能位MEn進(jìn)行配置后，才具備發(fā)送功能。同樣，在發(fā)送數(shù)據(jù)前，首先需要使能發(fā)送請求標(biāo)志位TSRn，并將發(fā)送數(shù)據(jù)寫入發(fā)送郵箱，這時數(shù)據(jù)就被送到了CAN總線網(wǎng)絡(luò)上。

2.3 信息的接收

CAN控制器的接收郵箱有郵箱0和郵箱1，以及被配置為接收方式的郵箱2和郵箱3。接收時需要設(shè)置其標(biāo)識符、標(biāo)識符相關(guān)的局部屏蔽寄存器LAM和RCR寄存器中的接收信息懸掛位RMPn（n=0～3）。

2.4 應(yīng)用層協(xié)議

應(yīng)用層是由各種應(yīng)用程序組成的，從而為網(wǎng)絡(luò)用戶提供各種服務(wù)，某些服務(wù)被普遍使用后，通過相關(guān)組織形成了標(biāo)準(zhǔn)化，而應(yīng)用層協(xié)議就是這些標(biāo)準(zhǔn)派生而來。在實(shí)際應(yīng)用中CAN總線網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議可以有兩種選擇，一種是采用國際組織公布的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議，如CANopen和DeviceNet等，優(yōu)點(diǎn)是互換性和互操作性強(qiáng)；另一種是開發(fā)者自己制定通信協(xié)議，優(yōu)點(diǎn)是協(xié)議簡單易用，目前在CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的應(yīng)用。

2.5 CAN節(jié)點(diǎn)與PC的通訊程序

CAN節(jié)點(diǎn)通過RS232接口實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通訊，而PC機(jī)的程序采用Visual Basic 6.0 進(jìn)行程序編寫，利用ActiveX控件MSComm實(shí)現(xiàn)與計算機(jī)串口的通訊程序[4]。并通過數(shù)據(jù)庫軟件SQL Serve 2000對總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，為后期的數(shù)據(jù)分析和處理做好充足的準(zhǔn)備。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于DSP的CAN總線網(wǎng)路系統(tǒng)，本系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試，軟硬件工作均正常，各節(jié)點(diǎn)之間通訊快速并準(zhǔn)確，當(dāng)波特率為100kbps，平均延遲時間大于1ms時，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載低于35%，總線網(wǎng)絡(luò)具有較好的性能。DSP有著內(nèi)嵌的CAN控制器模塊，使得構(gòu)建CAN節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的電路簡單容易，隨著DSP在控制領(lǐng)域應(yīng)用的越來越多，基于DSP的CAN總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將在自動控制、數(shù)據(jù)采集和信號采集等方面得到更為廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]饒運(yùn)濤，鄒繼軍，王進(jìn)宏，等.現(xiàn)場總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[2]劉和平，王維俊，鄧力，等.TMS320LF240xDSPC語言開發(fā)應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

[3]劉和平，江渝，鄭群英，等.DSP原理及電機(jī)控制應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[4]李江全，張麗，岑紅蕾，等.Visual Basic串口通訊與測控[M].北京：人民郵電出版社，2007.