1 引言

　　網絡化控制系統(tǒng)是控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和研究熱點，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)作為網絡化系統(tǒng)的重要組成部分，近年來在實際的控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。CAN（Con- troller Area Network）總線作為一種容錯性強、可靠性高、布線簡單且成本低廉的現(xiàn)場總線倍受用戶欽睞，在國內CAN總線已經得到了廣泛應用。目前國內廣泛應用的獨立CAN控制器SJA1000因存在如地址、數(shù)據總線的分時復用常導致接口效率低下;接收、發(fā)送緩沖區(qū)的個數(shù)太少，導致數(shù)據吞吐率不高;幀屏蔽和過濾器的設置不夠靈活，不能滿足同時需要更多屏蔽和過濾條件的要求等。

　　ARM芯片S3C2410是一種高集成度，高性價比的嵌入式處理芯片，已成功用于工控設備上。然而其美中不足的是沒有集成CAN控制器，使其在工控產品中的應用中受到了一定的阻礙。為了解決這一問題，同時考慮到盡可能降低硬件電路的復雜性，保證CAN總線通訊的穩(wěn)定性和效率，采用帶SPI接口的獨立CAN控制器MCP2515來給S3C2410擴展CAN接口。下面以自行開發(fā)的人機界面（HMI，Human Machine Interface）中CAN總線通訊接口設計為例進行說明。

　　2 CAN總線接口硬件設計

　　下面先簡要介紹相關控制器芯片，后對CAN接口硬件設計作詳細說明。

　　2.1 ARM芯片S3C2410和CAN控制器MCP2515簡介

　　S3C2410是三星公司設計的32位RISC嵌入式處理器。該芯片基于ARM920T內核，采用五級流水線和哈佛結構，提供1.1MIPS/MHz的性能。為了減少應用系統(tǒng)設計的成本，S3C2410集成了眾多的常用資源，如：LCD控制器、SDRAM控制器、一個觸摸屏接口、兩個SPI接口等，內核最高工作頻率可達266MHz。

　　獨立CAN控制器MCP2515靈活的中斷能力、接收幀屏蔽和過濾、幀優(yōu)先級設定等特性使其能夠很好的對信息進行管理，減輕了處理器的負擔和軟件設計的復雜度。其獨特功能如下：

　?。?） 有標準幀和擴展幀兩種數(shù)據幀可供選擇，每個幀的數(shù)據字段長度可為0-8字節(jié)，標準幀數(shù)據段的前兩個字節(jié)可單獨過濾;

　?。?） 內含3個發(fā)送緩沖器和2個接收緩沖器，并且其優(yōu)先級可編程設定;

　?。?） 內含6個29字節(jié)的接收過濾器和2個29字節(jié)的接收屏蔽器;

　?。?） 具有Loop-Back（自環(huán)檢測）模式;支持更高層的協(xié)議，如DeviceNet、SAEJ1939;

　　2.2 硬件接口設計

　　S3C2410的SPI接口兼容SPI V2.11協(xié)議，可支持查詢、中斷和DMA三種數(shù)據傳送模式。MCP2515連接到S3C2410的SPI0口，其相互連接關系如圖1所示。

　　圖1 PROFIBUS 網絡特性

　?。?） 本接口設計不使用TXnRTS、RXnBF等5個引腳，使用了總中斷引腳INT，因此在軟件設計的時候不使能發(fā)送請求和接收完畢中斷對應功能引腳，且在本設計中該引腳也不作其它用途，處理器在響應總中斷后，通過SPI接口訪問MCP2515內部相應寄存器來確定具體的中斷事件，并對其作出處理。

　　（2） 為了隔離總線上的干擾信號，提高系統(tǒng)的可靠性，CAN控制器與CAN收發(fā)器之間采用了光隔。光隔的兩邊應該采用獨立的供電電源，不可與系統(tǒng)的其他部分直接共地。

　　（3） 在CANH和CANL之間使用了兩個等值電阻（R410、R411）和旁路電容（C408）來提高EME（Electro Magnatic Emission）性能，減少該部分對系統(tǒng)其他部分的干擾。

　?。?） MCP2515在初始上電、復位以及從休眠模式喚醒后最初的128 OSC時鐘周期內，OST（振蕩啟動定時器）保持復位狀態(tài)。應注意在OST超時前不應對SPI進行操作。

　?。?） RX是為減少EMI（Electro Magnatic Interference）而設計的。CANH、CANL的轉換率與RX上流經的電流成正比。

　　3 CAN總線接口軟件設計

　　CAN總線軟件接口為應用層訪問CAN控制器—MCP2515提供了一個便捷的“通道”，該“通道”屏蔽了CAN控制器工作的實現(xiàn)細節(jié)，使得應用層面向通信是透明的。該接口通過SPI接口通信來實現(xiàn)對CAN控制器的操作。它們之間的相互關系如圖2所示。

　　圖2 濾池就地控制單元硬件結構圖

　　3.1 CAN接口軟件實現(xiàn)

　　S3C2410的SPI可以工作在四種模式，但是MCP2515的SPI接口只支持其中的兩種。因此應該將S3C2410的SPI接口配置為MCP2515支持的模式工作。從圖1中可以看出S3C2410的SPI應該配置為正常模式的中斷方式，具體配置操作請見參考文獻［2］。

　　S3C2410-SPI的單個字節(jié)讀、寫函數(shù)實現(xiàn)如下：

　　unsigned char ReadSPI（ void ）

　　{

　　SPRDAT0 = 0x00; // 初始化SPI總線

　　while （ ！REDY ）;

　　// 判斷接收數(shù)據是否完成

　　return （ SPRDAT0 ）;

　　// 獲取接收到的數(shù)據

　　}

　　unsigned char WriteSPI（ unsigned char data ）

　　{

　　SPRDAT0 = data; // 寫數(shù)據到發(fā)送緩沖區(qū)

　　if （ DCOL ） return （ -1 ）;

　　// 判斷是否發(fā)生沖突，發(fā)生沖突則返回錯誤標準

　　else while（ ！REDY ）;

　　// 否則等待數(shù)據發(fā)送完成

　　return （ 0 ）; // 返回發(fā)送成功標準

　　}

　　對MCP2515的讀寫函數(shù)原型如下：

　　void Mcp_Read（ unsigned char Addr， unsigned char *ReadData， unsigned char Length ）;

　　void Mcp_Write（ unsigned char Addr， unsigned char *WriteData， unsigned char Length ）;

　　Addr：要讀寫區(qū)域的首地址;

　　ReadData/WriteData：讀取數(shù)據存放區(qū)、寫出數(shù)據緩沖區(qū)首地址;

　　Length：要讀、寫數(shù)據的字節(jié)數(shù)。

　　其它對MCP2515的操作在此不一一列舉，請見參考文獻［3］。

　　3.2 CAN總線數(shù)據收發(fā)軟件設計

　　本設計采用外部中斷1響應MCP2515的總中斷，并且配置控制器始終處于喚醒模式，發(fā)送器工作在正常模式，使能接收、發(fā)送、錯誤中斷。中斷方式處理CAN總線數(shù)據收發(fā)的流程如圖3，分別從發(fā)送處理、接收處理、錯誤處理三個部分加以說明。

　　圖3 中斷方式實現(xiàn)CAN總線數(shù)據收發(fā)流程圖

　?。?） 發(fā)送處理

　　在兩種情況會下被執(zhí)行，其一發(fā)送中斷響應中，如果當前有發(fā)送任務，通過發(fā)送緩沖區(qū)記錄標志確定空的發(fā)生緩沖區(qū)并向其中填發(fā)送幀，然后啟動發(fā)送;其二在接收中斷響應中，在接收處理完后如果有發(fā)送任務且有發(fā)送緩沖區(qū)空，會處理發(fā)送任務。在兩處處理發(fā)送主要是考慮有多個發(fā)送、接收緩沖區(qū)可用，可以提高通信效率。

　?。?） 接收處理

　　需要根據ICOD的值來確定當前是那個接收緩沖區(qū)的數(shù)據準備好，可以讀取。接收幀處理過程中首先讀取幀的ID值，確定當前幀的數(shù)據是那個節(jié)點發(fā)送來的，并據此把幀中數(shù)據字段的數(shù)據存放相應的位置。

　?。?） 錯誤處理

　　引起錯誤處理的原因很多，并且都產生錯誤中斷，需要訪問錯誤標志寄存器來確定具體錯誤類型，并據此作相應的處理。

　　此外，圖3中更新發(fā)送緩沖區(qū)使用記錄是為了在發(fā)送和接收中斷響應中可以據此清楚發(fā)送緩沖區(qū)的使用情況，確定當前是否可以做發(fā)送處理。

　　4 測試與應用

　　將以上設計方案應用到自主開發(fā)的HMI（結構框圖如圖4，虛線框中為擴展的CAN總線接口框圖）實驗板上，同時與黃石市科威自控有限公司開發(fā)的混合型PLC（EASY-M0808R-A44NB）、通用型PLC（EASY-M2416R）、運動控制器（EASY-KP3-M0506R）進行通信測試，其中HMI作主站，其他設備作從站。測試環(huán)境中有電機頻繁啟停和不間斷繼電器開閉干擾，其他測試條件和參數(shù)見如附表：

　　附表 CAN接口測試記錄表

　　在測試記錄程序中記錄了通訊速率為500Kbps，運行到6時31分42秒時出現(xiàn)了一次通信“死機”，隨后系統(tǒng)調用自恢復程序重新配置軟硬件參數(shù)，6時31分43秒重啟通信，通信恢復正常。其他測試條件下沒有出現(xiàn)“死機”的情況。該測試結果說明采用這種方法設計的CAN接口完全能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場網絡通訊的要求。

　　圖4 HMI系統(tǒng)結構圖

　　5 結束語

　　采用ARM芯片S3C2410集成的SPI接口擴展的CAN總線接口，在不改變CAN總線自身的特點的前提下，使得PCB布線簡單，增強了系統(tǒng)的可靠性;為擴展接口找到了一個便捷的方法。在自主開發(fā)的HMI中采用該設計方案實現(xiàn)CAN總線接口的擴展，并且在實際應用和測試中證明了該方案的正確性和可靠性。