本文提出了基于DSP內(nèi)嵌增強(qiáng)型CAN控制器（ECAN）模塊的智能總線接口設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)創(chuàng)新性地采用了ADI公司最新發(fā)布的ADM3053芯片作為ECAN接口驅(qū)動(dòng)，該芯片集成了CAN收發(fā)器、信號(hào)隔離、DC/DC供電隔離，達(dá)到了接口小型化、低功耗、低成本的目的。給出了ECAN模塊系統(tǒng)架構(gòu)和總線接口硬件電路。在軟件設(shè)計(jì)上，重點(diǎn)論述了ECAN模塊內(nèi)部寄存器和郵箱結(jié)構(gòu)，給出了軟件初始化、消息發(fā)送、消息接收流程，最后給出了CAN總線消息過(guò)載的處理方法。經(jīng)實(shí)測(cè)表明，該智能總線接口模塊工作穩(wěn)定，信號(hào)品質(zhì)良好，滿足工業(yè)控制需求。

0 引言

CAN 總線以其可靠、實(shí)時(shí)、低成本優(yōu)勢(shì)已在汽車(chē)、機(jī)械等工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。TMS320F2812是TI公司最具代表性的低成本、低功耗和高性能的定點(diǎn)DSP芯片，具有強(qiáng)大的事件管理能力和嵌入式控制能力。其內(nèi)嵌的增強(qiáng)型CAN 總線控制器（ECAN）模塊，完全兼容CAN 2.0B 協(xié)議，郵箱數(shù)量增加至32 個(gè)，并增加了時(shí)間戳、消息過(guò)濾和超時(shí)發(fā)送功能，提高了應(yīng)用CAN通信的靈活性。

ADM3053是ADI公司2011年推出一款集成信號(hào)和電源隔離功能的CAN 收發(fā)器。本文采用集成ECAN 模塊的TMS320F2812 和ADM3053 來(lái)設(shè)計(jì)CAN 節(jié)點(diǎn)。該設(shè)計(jì)將內(nèi)嵌ECAN模塊的DSP作為節(jié)點(diǎn)主控制器，同時(shí)采用ADM3053芯片有效替代了傳統(tǒng)CAN收發(fā)器、信號(hào)隔離、供電隔離三部分電路，有效實(shí)現(xiàn)了模塊小型化、低功耗、低成本。

本接口模塊能夠?qū)崿F(xiàn)正常的CAN通信，通信控制更加靈活。采用CAN通信監(jiān)控卡和專(zhuān)用示波器CANScope對(duì)該接口的數(shù)據(jù)包、電平特性、眼圖進(jìn)行分析，結(jié)果顯示信號(hào)品質(zhì)良好。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

典型的工業(yè)控制中CAN總線接口模塊硬件原理框圖如圖1所示，它由智能處理器、CAN協(xié)議控制器、信號(hào)隔離、收發(fā)器及供電隔離組成。智能處理器負(fù)責(zé)總線數(shù)據(jù)收發(fā)，CAN協(xié)議數(shù)據(jù)的解析和管理，響應(yīng)上位機(jī)命令并反饋接口健康狀態(tài)；CAN 總線控制器功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層功能，包括位時(shí)序邏輯、錯(cuò)誤管理邏輯、驗(yàn)收濾波器、收發(fā)緩沖管理等；CAN總線收發(fā)器功能是實(shí)現(xiàn)物理層功能，主要是收發(fā)信號(hào)與總線差分電平的相互轉(zhuǎn)換；隔離電路包含信號(hào)隔離和電源隔離兩部分，實(shí)現(xiàn)控制器與收發(fā)器之間的完全電氣隔離。

傳統(tǒng)的CAN總線接口電路是由采用獨(dú)立的接口管理CPU、CAN控制器、收發(fā)器及隔離電路搭建，這種方法占用板面積大、接口邏輯復(fù)雜、成本高。本設(shè)計(jì)應(yīng)用了ADI 公司最新發(fā)布的ADM3053 芯片，該芯片集成了CAN 收發(fā)器、信號(hào)隔離及供電隔離三部分功能，見(jiàn)圖1中虛線方框部分。應(yīng)用ADM3053有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）功耗低體積小。采用了基于電磁隔離原理的iCouple信號(hào)隔離專(zhuān)利技術(shù)。功耗相當(dāng)于同數(shù)據(jù)傳輸率下傳統(tǒng)光電隔離器的1/10.同時(shí)采用了基于高頻開(kāi)關(guān)的芯片級(jí)變壓技術(shù)isoPower實(shí)現(xiàn)供電隔離。在CAN 協(xié)議控制器與物理層總線之間創(chuàng)建一個(gè)完全隔離的接口。使得元器件數(shù)量減少，節(jié)約電路空間，簡(jiǎn)化了接口設(shè)計(jì)，降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜度；

（2）性能更高。在時(shí)序精度、瞬態(tài)共模抑制力、通道間匹配性能均優(yōu)于傳統(tǒng)光電隔離器；（3）產(chǎn)品成本更低。每個(gè)通道成本相當(dāng)于傳統(tǒng)光電隔離器的40%.

1.2 ECAN模塊結(jié)構(gòu)

ECAN的接口與結(jié)構(gòu)電路如圖2所示。ECAN具有32位內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括協(xié)議內(nèi)核（CPK）和消息控制器。

在協(xié)議內(nèi)核CPK 收到一個(gè)來(lái)自總線的消息后，消息控制器中的接收控制單元確定是否把接收的消息存儲(chǔ)到32 個(gè)消息郵箱RAM 中的某一個(gè)中。接收控制單元要檢驗(yàn)消息的狀態(tài)、標(biāo)識(shí)符和消息對(duì)象的屏蔽來(lái)決定郵箱的位置。接收的消息經(jīng)過(guò)濾波后存放到第一個(gè)郵箱中。如果接收控制單元不能找到任何一個(gè)存儲(chǔ)接收消息的郵箱，則消息被丟棄。

一個(gè)消息有11位或29為標(biāo)識(shí)符、一個(gè)控制域和最多8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)構(gòu)成。當(dāng)要發(fā)送一個(gè)消息時(shí)，消息控制器把這個(gè)消息發(fā)送到CPK 的發(fā)送緩沖區(qū)中，以便在下一個(gè)總線空閑狀態(tài)時(shí)開(kāi)始發(fā)送消息。當(dāng)多于一個(gè)消息要被發(fā)送時(shí)，最高優(yōu)先級(jí)的消息將被消息控制器發(fā)送到CPK中，如果兩個(gè)消息的優(yōu)先級(jí)相同，則大序號(hào)的郵箱首先發(fā)送。

1.3 接口電路設(shè)計(jì)

本文使用的接口管理CPU 為T(mén)MS320F2812,使用其內(nèi)部集成的ECAN模塊，因此只需要連接CAN總線收發(fā)器模塊和隔離器件即可實(shí)現(xiàn)CAN總線接口功能。

ECAN接口電路圖如圖3所示。

ADM3053的左側(cè)為邏輯端，邏輯端管腳接線如下：

（1）RXD 和TXD 分別接DSP 的ECANRX 和ECANTX引腳；

（2）VCC接邏輯端VCC（+5 V）電源；

（3）VIO接DSP的IO供電電壓VIO;

（4）GND管腳接邏輯端地線端GND_LOG.

ADM3053 的右側(cè)為總線端，總線端的管腳接線如下：

（1）CANH 和CANL 之間與CAN 物理總線相連，且確?？偩€兩端并聯(lián)120 Ω端接電阻；

（2）總線端電壓輸入VISOIN 接隔離電壓輸出VI-SOUT,并通過(guò)濾波電容接地；（3）CANH和CANL連接共模電感ACT45B-510-2P,濾除總線上的共模信號(hào)；

（4）CANH和CANL并聯(lián)TVS管PESD1CAN,作為瞬態(tài)抑制保護(hù)，防止總線上的瞬變干擾。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 ECAN的存儲(chǔ)器映射ECAN的寄存器被映射到片內(nèi)存儲(chǔ)器的外設(shè)幀1區(qū)域，CPU 用這些寄存對(duì)CAN 的消息對(duì)象進(jìn)行配置和控制，控制和狀態(tài)寄存器只允許32 位存取。ECAN 提供了32個(gè)消息郵箱，每個(gè)郵箱可以配置為發(fā)送或接收郵箱。消息是一塊RAM 區(qū)域，映射到DSP 的RAM 存儲(chǔ)器，每個(gè)郵箱RAM 的地址分配如圖4 所示。消息郵箱用來(lái)存儲(chǔ)接收到的CAN消息或存放等待發(fā)送的CAN消息。當(dāng)郵箱不用于存儲(chǔ)CAN 消息時(shí)，CPU 可以將消息郵箱RAM 空間當(dāng)成通用存儲(chǔ)器使用。ECAN模塊寄存器和消息RAM空間如圖4所示。

2.2 通信軟件

2.2.1 系統(tǒng)初始化

ECAN模塊初始化在初始化模式下才能進(jìn)行，初始化模式和正常操作模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)同步實(shí)現(xiàn)的，也就是說(shuō)，CAN 控制器在改變模式之前，要檢測(cè)總線空閑狀態(tài)（等于11個(gè)接收位），如果產(chǎn)生支配總線錯(cuò)誤，CAN控制器將不能檢測(cè)到總線空閑狀態(tài)，因此也不能完成模式切換。將CCR寄存器置1,使CAN模塊工作于初始化模式，而且只有CCE寄存器設(shè)置為1時(shí)，才能執(zhí)行初始化操作。完成上述設(shè)置后，才能操作ECAN模塊配置寄存器。ECAN模塊的初始化流程如圖5所示。

2.2.2 消息發(fā)送

根據(jù)系統(tǒng)初始配置，將待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫(xiě)入ECAN模塊相應(yīng)消息郵箱的數(shù)據(jù)區(qū)，這里需要注意數(shù)據(jù)字節(jié)順序DBO 寄存器的設(shè)置。當(dāng)DBO=0 時(shí)，數(shù)據(jù)讀寫(xiě)從CAN-MDL寄存器的最低有效位開(kāi)始，到CANMDH 寄存器的最高有效位結(jié)束。當(dāng)DBO=1 時(shí)，數(shù)據(jù)讀寫(xiě)從CANMDL寄存器的最高有效位開(kāi)始，到CANMDH 寄存器的最低有效位結(jié)束。置發(fā)送命令字CANTRS.n=1,啟動(dòng)發(fā)送操作，ECAN模塊將自動(dòng)置響應(yīng)命令字CANTA.n=1.最后手動(dòng)清發(fā)送命令字和響應(yīng)命令字。消息發(fā)送流程如圖6所示。

2.2.3 消息接收

根據(jù)系統(tǒng)初始配置，ECAN模塊接收郵箱中接收到總線上的消息時(shí)，相應(yīng)的接收消息等待寄存器CAN-RMP.n被置位，此時(shí)CPU應(yīng)該核對(duì)消息丟棄標(biāo)志寄存器RML.如果RML 為1,說(shuō)明郵箱中的消息已被覆蓋，CPU可以選擇向源節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求重發(fā)，本次接收流程結(jié)束。

當(dāng)RML為0時(shí)，CPU可以從郵箱數(shù)據(jù)區(qū)讀取數(shù)據(jù)，同時(shí)清RMP.n,然后進(jìn)入等待接收狀態(tài)（RMP=0,RML=0）。

消息接收流程如圖7所示。

2.2.4 過(guò)載處理

如果CPU 的速度不能快速地處理重要消息，出現(xiàn)消息過(guò)載情況，這種情況可以通過(guò)增加備份郵箱來(lái)解決，即配置多個(gè)相同標(biāo)識(shí)符的郵箱。對(duì)于ECAN 模塊，每個(gè)消息對(duì)象有自己的屏蔽LAM（n）。為了保證不會(huì)丟失消息，將備份消息對(duì)象的覆蓋保護(hù)寄存器OPC 標(biāo)志位置位，從而防止未讀取的消息被覆蓋。如果ECAN模塊需要存儲(chǔ)接收到的消息，則先查看備份郵箱，如果備份郵箱為空則存儲(chǔ)消息。如果備份郵箱的RMP標(biāo)志被置位，說(shuō)明消息未被讀取。由于備份郵箱數(shù)據(jù)無(wú)法被覆蓋，故將消息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在原始郵箱，此時(shí)產(chǎn)生的一個(gè)中斷可以用來(lái)讀取備份郵箱的重要數(shù)據(jù)。

本文設(shè)計(jì)的CAN智能總線接口模塊經(jīng)物理環(huán)境下多節(jié)點(diǎn)收發(fā)測(cè)試，結(jié)果顯示硬件電路工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)收發(fā)功能正常，總線電平特性和眼圖如圖8所示。

由圖8 可以看出總線信號(hào)（CANH,CANL）規(guī)整，差分后信號(hào)波形平滑，眼圖顯示接口通信品質(zhì)良好。

3 結(jié)論

應(yīng)用ADM3053 芯片可有效縮小電路板面積，符合小型化原則，可以有效降低CAN總線接口模塊的成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。