CAN控制器SJA1000及其应

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CAN控制器SJA1000及其应


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BASICCAN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；
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℃）。


图1 SJA1000内部结构

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寄存器的寻址并向控制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负责传递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CR用于控制CAN控制器的行为，可读可写；命令寄存器CMR只读写；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，读取该信号自并释放接收缓冲器。当接收缓冲器中多条信息时，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，查到RXFIFO中的信息被全部读出止。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。

表1 SJA1000的寄存器结构及地址分配表

寄  存  器	地  址	寄存器名		地 址	寄存器名		地 址
控制寄存器CR	0	测试寄存器		9	接 收 缓 冲 器	RDID0	20
命令寄存器CMR	1	发	TXID0	10		RDID1	21
状态寄存器SR	2	送	TXID1	11		RXDATA1	22
中断寄存器IR	3	缓	TXDATA1	12		·	·
接收代码寄存器ASR	4	冲	·	·		·	·
接收屏蔽寄存器AMR	5	器	·	·		·	·
位定时寄存器BTR0	6	T	·	·		RXDATA9	29
位定时寄存器BTR1	7	X	TXDATA8	19	时钟分频寄存器OCR		31
输出控制寄存器OCR	8	B

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、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试控制，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。

    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。


图4 节点1和节点2的电路原理图

    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，不再多述。
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。

李小路

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