基于ARM的CAN总线智能节点的设计

摘要：CAN总线是一种应用广泛的实时性现场总线，提出了基于具有ARM7TDMI内核的32位微控制器的CAN总线智能节点设计方案。详细介绍了ARM控制（LPC2294）的特点、智能节点的结构以及系统软件设计，同时结合现场实际使用给出了硬件抗干扰措施。

关键词：CAN总线 ARM 嵌入式控制器

CAN(Controller Area Network)即控制器局域网，CAN总线是国际上应用最广泛的现场总线之一。它最早是由德国Bosch公司推出的，CAN通信协议是一种用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。

作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通讯控制方式，CAN总线已被广泛应用于各个自动化控制系统中。例如，在汽车电子、自动控制、智能大厦、电子系统、安防监控等各领域中，CAN总线具有不可比拟的优越性。本设计给出CAN总线节点方案。它采用内置多路CAN总线控制器PLC2294作为主控制器，使得该节点体积小、功耗低、抗干扰性好，因而特别适用于汽车、工业控制以及医疗系统和容错维护总线中。

1 硬件设计

1.1 LPC2294的特点

ARM7系列具有ARM7TDMI内核的32位嵌入式微处理器是目前应用很广的嵌入式RISC处理器。该系列芯片体积小、功耗低、成本低，高性能与灵活性相结合，有较多的寄存器，提供了扩充的增强的固定长的16/32位双指令集。用16位的Thumb指令可以节省高达35%的空间。另外它还实行注水线作业，提供嵌入式ICE2RT逻辑，支持片上断点和调试点支持，具有先进的软件开发和调试环境。

图1

本设计选用的LPC2294是PHILIPS公司新推出的一款功能强大的超低功耗的具有ARM7TDMI内核的32位微控制器。144脚封装、两个32位定时器、八路10位ADC、四路CAN通道和PWM通道以及多达九个的外部中断，内部嵌入256K字节高速Flash存储器和16K字节静态RAM，包含76（使用了外部存储器）~112（单片）个GPIO口。如此丰富的片上资源完全可以满足一般的工业控制的需要，同时还可以减少系统硬件设计的复杂度。另外，LPC2294支持JTAG实时仿真和跟踪、128位宽度的存储器接口和独特的加速结构，使32位代码能够在高达60MHz的操作频率下运行。

LPC2294内部集成有四路CAN控制器：符合CAN规范CAN2.0B,ISO 11989-1标准：总线数据波特度均可达1Mbps；可访问32位的寄存器和RAM；全局验收过滤器可识别几乎所有总线的11位和29位Rx标识符；验收过滤器为选择的标准标识符提供了FullCAN-style自动接收功能。

作为本设计的核心部件，LPC2294不仅担起主控制器的作用，同时还作为CAN网络的节点控制器，与网络中的其它节点实现数据传输与交换。

1.2 CAN节点硬件电路组成

CAN节点硬件电路如图1所示，由ARM微控制器LPC2294、CAN总线收发器TJA1050T、高速光耦6N137和电源隔离模块B0505S等组成。

主控芯片LPC2294的晶振频率范围为1～30MHz。本设计选晶振频率为20MHz，通过设置内部的VPB分频器可以提高CPU时钟频率。内部256K字节的高速Flash存储器用于代码和数据的存储。对于FLASH存储器，可通过内置的串行JTAG接口进行在系统编程（ISP），或进行在应用编程（IAP）。为了便于调试和系统升级，在设计中可以预留这些接口电路。

LPC2294采用双电源供电。CPU的供电电压范围为1.65～1.95V(1.8V±8.3%),I/O的供电电压范围为3.0～3.6V(3.3V±10%)。

收发器TJA1050T是CAN协议控制器和物理总线之间的接口，它与"ISO 11898"标准完全兼容。CANH和CANL理想配合，可使电磁辐射减到更低。除此之外，TJA1050T不上电时，总线呈现无源特性，这使得TJA1050T在性能上大大优于以前的CAN总线收发器。TJA1050T有两种工作模式：高速模式和静音模式（它们由引脚"S"来控制）。在高速模式中，总线输出信号有固定的斜率，并且以尽量快的速度切换。高速模式适用于最大位速度和最大总线长度的情况，而且此时其收发器循环延迟最小。静音模式时发送器是禁能的。它不管TxD的输入信号。静音模式可以防止CAN控制器不受控制时对网络通讯造成堵塞。

1.3 硬件的抗干扰设计

在本设计所应用的场合中，产生电磁信号的设备较多，包括超短波设备、音频设备、电源等，因此抗干扰设备显示尤其重要。主要采取了以下措施：

（1） 为了进一步提高CAN总线节点的抗干扰能力，保证各节点之间在电气上是完全隔离和独立的，LPC2294的TX0和RX0分别通过高速光耦6N137与TJA1050T的TXD的RXD相连。不过，应该特别说明的是，光耦部分电路所采用的两个电源必须完全隔离，否则采用光耦也就失去了意义。电源的完全隔离采用小功率电源隔离模块B0505S。电路虽复杂一些，但是却提高了节点的稳定性和安全性。

（2） 在CAN总线的两端加有两个120Ω的电阻，这两个电阻对于总线阻抗的匹配起着相当重要的作用。去掉它们会使数据通信的抗干扰性及可靠性大大降低，甚至无法通信。

（3） CANH和CANL与地之间并联了两个30pF的小电容，可以滤除总线上的高频干扰并且具有一定的防电磁辐射的能力；在两根CAN总线接入端之间并入了5.6V的TVS管，当CAN总线窜入电压干扰时可通过TVS管的短路起到一定的过压保护作用。

（4） 为了减小现场对节点的干扰，有用屏蔽双绞线，且根据实际使用经验，屏蔽电缆的屏蔽层无需接地。