摘  要: 介绍CAN控制器SJA1000的特点、内部结构以及SJA1000的寄存器结构及地址分配;CAN协议通信格式。并以独立CAN控制器SJA1000为例,结合CAN协议说明了一种通用型CAN总线的开发与设计。

　　关键词:  CAN总线  SJA1000  单片机

1 SJA1000简介

　　SJA1000是PHILIPS公司早期CAN控制器PCA82C200的替代品,功能更强,具有如下特点:

　　①完全兼容PCA82C200及其工作模式,即BASIC CAN模式;

　　②具有扩展的接收缓冲器,64字节的FIFO结构;

　　③支持CAN2.0B;

　　④支持11位和29位识别码;

　　⑤位速率可达1Mbit/s;

　　⑥支持peliCAN模式及其扩展功能;

　　⑦24MHz的时钟频率" title="时钟频率">时钟频率;

　　⑧支持与不同微处理器的接口;

　　⑨可编程的CAN输出驱动配置;

　　⑩增强了温度范围(-40℃～+125℃)。

2 SJA1000内部结构

　　SJA1000的内部结构如图1所示,主要由接口管理逻辑IML、信息缓冲器(含发送缓冲器TXB和接收缓冲器RXFIFO)、位流处理器BSP、接收过滤器ASP、位时序处理逻辑BTL、错误管理逻辑EML、内部振荡器及复位电路等构成。IML接收来自CPU的命令,控制CAN寄存器的寻址并向主控器提供中断信息及状态信息。CPU的控制经IML把要发送的数据写入TXB,TXB中的数据由BSP处理后经BTL输出到CAN BUS。BTL始终监视CAN BUS,当检测到有效的信息头“隐性电平-控制电平”的转换时启动接收过程,接收的信息首先要由位流处理器BSP处理,并由ASP过滤,只有当接收的信息的识别码与ASP检验相符时,接收信息才最终被写入RXB或RXFIFO中。RXFIFO最多可以缓存64字节的数据,该数据可被CPU读取。EML负责传送层中调制器的错误管制,它接收BSP的出错报告,促使BSP和IML进行错误统计。

3 SJA1000的寄存器结构及地址分配

　　表1是工作在BASIC CAN模式下的SJA1000的寄存器结构及地址分配表。CAN控制器工作模式的设定、数据的发送和接收等都是通过这些寄存器来实现的。时钟分频寄存器OCR用于设定SJA1000工作于BASIC CAN还是PeliCAN,还用于CLKOUT引脚输出时钟频率的设定,在上电初始化控制器时必须首先设定;在工作模式下,控制寄存器" title="控制寄存器">控制寄存器CR用于控制CAN控制器的行为,可读可写;命令寄存器CMR只能写;状态寄存器SR只能读;而IR、ACR、AMR、BTR0、BTR1、OCR在工作模式下读写无意义。通常,在系统初始化时,先使CR.0=1,SJA1000进入复位模式。在此模式下IR、ACR、AMR、BTR0、BTR1及OCR均可读可写,此时设置相应的初值。当退出复位模式时,SJA1000即按复位时设定的相应情况工作于工作模式,除非再次使芯片复位,否则上次设定的值不变。当需要发送信息时,若发送缓冲器空闲,由CPU控制信息写入TXB,再由CMR控制发送;当接收缓冲器RXFIFO未满且接收信息通过了ASP,则接收到的信息被写入RXFIFO。可通过两种方法读取接收到的信息。一种方法是,在中断被使能的情况下,由SJA1000向CPU发中断信号,CPU通过SR及IR可以识别该中断,并读取数据释放接收缓冲器;另一种方法是直接读取SR,查询RXFIFO的状态,当有信息接收时,读取该信息并释放接收缓冲器。当接收缓冲器中有多条信息时,当前的信息被读取后,接收缓冲器有效信号会再次有效,通过中断方式或查询方式可以再次读取信息,直到RXFIFO中的信息被全部读出为止。当RXFIFO已满,如还有信息被接收,此接收信息不被保存,且发出相应的缓冲器溢出信号供CPU读取处理。

4 CAN协议通信格式

　　CAN协议通信格式中有四种帧格式:数据帧" title="数据帧">数据帧、远程帧、出错帧和超载帧。其中数据帧和远程帧的发送需要在CPU控制下进行,而出错帧和超载帧的发送则是在错误发生或超载发生时自动进行的。因此人们更关心前两个帧的结构。数据帧结构如图2所示。

　　一个完整的数据帧格式,除仲裁场、控制场、数据场外都是CAN控制器发送数据时自动加上去的,而仲裁场、控制场、数据场则必须由CPU控制给出。用SJA1000时,写出发送缓冲器的TXID0、TXID1即设定了相应的仲裁场和控制场。TXID0即为仲裁场的高8位，TXID1的高3位为仲裁场的低3位,仲裁场共11位。TXID1的第5位为RTR位,即远程请求位,在数据帧中为“0”;TXID1低四位标示数据场所含字节数的多少,称为DLC。RTR与DLC共同构成控制场。发送的数据组成数据场,最多不超过8个字节。远程帧与数据帧的形式差别在于没有数据场。除此形式上的差别外,在远程帧中RTR位须置“1”,表示请求数据源节点向它的目的节点(即发送远程帧的节点)发送数据。源节点接收到该帧后,把要发送数据用数据帧发给目的节点,完成数据请求。CRC场与ACK场都是在低层次上为提高传输的可靠性而自动进行的。任何帧与帧之间是帧间空间。

5 设计实例

5.1 整体设计思路

　　这里用SJA1000与AT89C51芯片设计一种具有通用性的工业测控系统,系统的结构图如图3所示。

　　CAN总线是一种多主总线,理论上任何一个节点都可以作为主节点。在本系统中设置与上位PC机相连的节点1和节点2为上位节点,其它节点为底层节点。在任务比较简单的系统中,也可以只设置一台上位PC机,PC机通过串口与节点上的CPU通信,CPU再与CAN控制器SJA1000通信,实现信息在CAN BUS上的发送与接收。节点1与节点2的结构相同,而底层节点根据应用的不同具有不同的功能。但它们都具有与CAN BUS通信的能力,上传数据和接收数据" title="接收数据">接收数据。

5.2 电路原理图

　　节点1与节点2的原理图如图4所示。AT89C51通过MAX232与PC机串行通信。设置SJA1000工作于Intel模式,由PC机发送的数据写入AT89C51,再通过P0口及控制信号将数据写入SJA1000并通过CAN收发器发送。接收数据是通过中断进行的,CAN BUS的数据经CAN接口芯片82C250接收并写入SJA1000的RXFIFO，然后通过中断提请CPU读取。读取的数据由RS232口上传送给PC机。

在本系统中其它节点不与PC机通信，此时AT89C51除与SJA1000相接的口线外还剩余口线,可以做其它用途。如用于数据的采集,则与A/D转换芯片相接即可;如与控制相关,则与控制口相接即可,这样一来可以灵活地构成各种系统。

5.3 软件设计

　　该系统的软件设计" title="软件设计">软件设计分为两方面:(1)PC机软件设计,可以用VC++、VB,也可以使用工控软件完成。如只用于监视系统,设计的重点在于PC机与节点之间的通信。(2)节点上CPU的软件设计。不论是节点1、2或是其它底层节点,都要用到CAN通信,因此都要设置CAN控制器。其初始化的流程图如图5所示。

　　具体的例程如下:

　　MOV DPTR，#CR      　　　　　;控制寄存器CR的地址送DPTR

　　MOV A，#01H

　　MOVX @DPTR，A          　　　;进入复位模式

　　MOV DPTR，#CDR

　　MOV A，#00H

　　MOVX @DPTR，A  　　　　　　　;选择BASIC CAN模式、时钟不输出

　　MOV A，#NODECODE

　　MOVX @DPTR，A      　　　　　;节点号NODECODE写入ACR

　　MOVX DPTR，#AMR

　　MOV A，#00H

　　MOV @DPTR，A        　　　　 ;AMR置为0,当且仅当RXID0=ACR时接收数据。

　　MOV DPTR，#BTR0              ;设定总线时序寄存器BTR0,系统采用12MHz晶振

　　MOV A，#85H                  ;分频后总线时钟频率为2MHz

　　MOVX @DPTR，A                ;同步跳转宽度为3tscl

　　MOV DPTR，#BTR1              ;设定总线时序寄存器BTR1

　　MOV A，#0B4H                 ;位同步时间为1个tscl，采样开始位置TSEG1=5tscl

　　MOVX @DPTR，A                ;TSEG2=4tscl，每一位时间10tscl(200kHz),每位采样3次

　　MOV DPTR，#OCR               ;设置输出控制寄存器

　　MOV A，#1AH                  ;数据从TX0按正常输出模式同极性输出

　　MOV @DPTR，A                 ;TX1 不用

　　MOV DPTR，#CR                ;初始化完成,使控制器退出复位模式,进入工作模式工作。

    MOV A，#06H 

    MOV @DPTR，A 

    该初始化程序使SJA1000工作在 BASIC CAN模式下,CAN总线位速率为200kHz。根据总线传输的距离不同速度可以调整。为提高其抗干扰性能,还可以在SJA1000与CAN总线收发器之间加光隔。各节点CPU的其它软件设计应视节点的功能而定，不再赘述。

　　该系统用于城市区域交通中心信息采集及处理,已取得很好效果。由于传输距离较远,设定速率为10kHz,但可靠性较强,系统成本低廉。

　　CAN总线以其优良的性能使其应用方兴未艾，以SJA1000为控制器构成各种CAN总线系统方便、简单、成本低廉,这也是开发与应用其它CAN总线产品的基础。

参考文献

1 邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计. 北京:北京航空航天大学,2001. 3

2 DATA SHEET SJA1000 CAN Stand-alone controller. PHILIPS Semiconductors 公司, 2000.4

3 王东威,顾宏,洪义平.基于CAN总线的安全巡检系统的信息采集及处理.电子产品世界, 2002(4)