基于AVR处理器的CAN总线设计方案

1 前 言

现场总线是当前工业总线领域中最活跃的一个领域， CAN 总线是工业数据总线领域重要的现场总线之一。CAN 是Contro ller Area N etw ork的缩写， 是国际标准化的串行通信协议。在当今的汽车产业中， 出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求， 各种各样的电子控制系统被开发出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同， 由多条总线构成的情况很多， 线束的数量也随之增加。为减少线束的数量、通过多个LAN进行大量数据的高速通信， 1986年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN 通信协议。而今CAN 在欧洲已是汽车网络的标准协议。CAN 的初衷是为了解决汽车里多种复杂数据的通信， 后来证实在很多工业领域也能应用自如。

2 CAN 总线特性及当今状况

CAN 总线与其他通讯网络的不同之处在于: 报文传送中不包括目标地址， 以全网广播为基础， 各接收站根据报文中反映数据性质的标识符过滤报文;强化了对数据安全性的关注， 满足控制系统较高的数据需求。它具有如下显着特征: 极高的总线利用率、低成本、高速的数据传输速率、远距离传输、可靠的错误处理和检错机制、可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文， 节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能等等。

CAN 总线所需完善的通信协议可由CAN 控制器芯片和接口芯片实现， 大大降低了系统的开发难度、组成成本、缩短了开发周期， 其高性能高可靠性以及灵活的设计受到人们的重视， 应用也越来越广泛。目前比较流行的控制器芯片是飞利浦公司的SJA1000和收发器芯片TJA1050。

由于近几年来CAN 总线技术逐步在我国推广开来， CAN 总线技术的独特特点 传输数据的可靠性和实时性， 已获得国际自动化控制领域的认可，其应用前景十分光明。国内推动CAN 总线技术进步的应用事例不断扩展， 积极促进了我国自动化技术的进步。由于CAN 总线本身的特点， 其应用范围己经扩展到过程工业、机械工业、数控机床、医疗机械、家用电器及传感器等领域， 而在电梯控制系统中， 主板需要接收不同楼层呼梯、轿厢里呼梯、调整电梯运行参数等多路信号， 因此CAN 总线的优势明显。如图1所示。

图1 CAN总线应用拓扑结构

3 集成CAN 控制器的ARM 微处理器

CAN 总线基于一组严格的协议， 一般来说在主CPU 外接一个专用CAN 控制器以实现。由于近年来微处理器的迅速发展， 出现了很多功能强大的集成CAN 控制器的CPU， 使得在CAN 总线应用上又简便了一些。而在价格上， 集成CAN 总线的微处理器和一般处理器加上专用CAN 控制器芯片的价格相当， 所以， 集成CAN 总线的微处理器必然成为今后CAN 总线应用的趋势。NXP 公司生产的ARM结构LPC2294就是其中一款流行的带CAN 总线控制器的CPU。它是基于一个支持实时仿真和跟踪的32位ARM7TDM I- S CPU 的微控制器， 并带有256k字节嵌入的高速Flash 存储器。极低的功耗、多个32位定时器、8路10位ADC、4路CAN以及多达9个外部中断使它们特别适用于工业控制， 因此，LPC2294也可作为电梯控制系统的主控制器。

4 集成CAN 控制器的高端8位AVR

上文提到， 电梯控制系统需要处理多路信息， 而且它们可能是具有不同传输速率的， 因此需要使用不同通道的CAN 总线控制器。对于控制系统， 必须具有可操作性， 考虑到要减轻主CPU 的负担， 因此，设计一个简单的操作系统对主系统进行操作， 而数据的交换方式就是采用CAN 总线传输， 此文中称这个操作系统为副系统。副系统相对比较简单， 其功能主要包括: ! 和主板进行信息交换; ? 具有按键供输入; # 具有显示信息的显示器。针对功能的需要和程序的体积， 选用了ATMEL公司近年力推的8位AVR控制器at90can128。

a t90can128是一种基于AVR 增强型R ISC结构的低功耗CMOS 8位单片机。通过执行一个单时钟周期的高效指令， AT90CAN128每MH z能达1M IPS，这就可让系统设计人员将功率损耗与处理速度优化。AVR内核具有丰富的指令集并带有32个通用目的工作寄存器。32 个寄存器全都直接连到运算逻辑单元( ALU ) ， 允许两个独立的寄存器在一个时钟周期执行单个指令的方式访问。其结果就是， 采用这种结构的速度比常规的R ISC单片机快10倍的同时代码效率更高。它除了拥有一般AVR 处理器的AD 模块， SPI模块外， 还集成CAN 控制器， 为搭建基于CAN 通信的系统提供了便利。控制结构如图2所示。

图2 at90can128的CAN控制结构。

对于复杂的CAN 通信协议， 在此不详述， 以下就at90can128的CAN控制器使用作介绍。

a t90can128的CAN 控制器提供