AT91M40800與CAN總線的接口設計與軟件編程

王小進 李世學

（中國船舶重工集團公司第712研究所， 武漢430064）

1 引言

隨著信息技術的發展，變電站自動化系統內部各設備間通訊信息量逐漸增大，傳統的串口傳輸已成為數據傳輸的瓶頸。文中的接口設計結合ARM芯片與CAN控制器具有高實時性、高傳輸速率、高可靠性等特點，完全適合于變電站上設備間的大數據量實時傳輸。

2 CAN控制器SJA1000介紹

SJA1000[1]是Philips生產的獨立CAN總線控制器，它是早期的 PCA82C200的替代產品。它與 PCA82C200在管腳、電氣特性上完全兼容，不僅有和 PCA82C200一樣的基本 CAN（BasicCAN）工作模式，而且新增加 CAN（PeliCAN）工作模式，這種模式支持具有很多特性的 CAN2.0B協議。經過簡單連接和正確設置的SJA1000，能自動完成CAN總線物理層和數據鏈路成的所有功能，對于 ARM 芯片AT91M40800來說，只要把它堪稱一個基本的I/O設備即可，使用非常簡單、方便。SJA1000的主要特性如下[2]：

（1）擴展的接收緩沖器（64字節，先進先出FIFO）；

（2）和CAN2.0B協議兼容；

（3）同時支持11位和29位識別碼；

（4）位速率最高可達1Mbits/s；

（5）支持多種微處理器接口；

（6）可編程的CAN輸出驅動器配置。

3 AT91M40800簡介[3]

采用RISC架構的ARM微處理器一般具有如下特點：

（1）體積小、低功耗、低成本、高性能；

（2）支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件；

（3）大量使用寄存器，指令執行速度更快；

（4）大多數數據操作都在寄存器中完成；

（5）尋址方式靈活簡單，執行效率高；

（6）指令長度固定。

AT9140800是美國ATMEL公司推出的AT91系列微控制器中的成員，它基于ARM7TDMI核，包含8KB SRAM、外部總線接口EBI和一些外圍部件。外圍部件包括定時器、USART和中斷控制器。AT91M40800是用于系統主控制器的理想通用微控制器，其內核 ARM7TDMI處理器的性能使得可由軟件實現DMA、SPI和ISO7816接口等附加的外圍功能。

4 接口電路硬件設計[4]

CAN屬于現場總線的范疇，是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，其協議是建立在國際標準組織的開放系統互連模型基礎上的，其模型結構只有三層，只取OSI底層的物理層、數據鏈路層和頂層的應用層。其信號傳輸介質為雙絞線。通信速率最高可達1 Mbps/40 m，直接傳輸距離最遠可達10 km/5 bps。可掛接設備最多可達110個。

CAN通信模塊的硬件電路主要包括：CAN通信控制器與微處理器之間，以及 CAN總線收發器與物理總線之間的接口電路。運用AT91M40800和SJA1000設計的CAN總線節點接口電路如圖1所示。

用Philips獨立CAN控制器SJA1000作為通信控制器，使用Philips的82C251作為CAN控制器接口芯片，為了增強 CAN總線節點的抗干擾能力，SJA1000的TX0和RX0通過采用高速光耦 6N137實現收發器與控制器之間的電氣隔離，滿足在最高速率1Mb/s下的電氣響應。

圖1 CAN通信接口電路

5 ARM軟件編程

基于AT91M40800和SJA1000設計的CAN總線節點的軟件設計主要包括三大部分：SJA1000初始化、AT91M40800外部中斷設置、報文發送與接收。結合圖1接口電路圖來從以下三個方面對ARM軟件編程進行簡要描述：

5.1 SJA1000的初始化

SJA1000具有兩種工作模式，即 BasicCAN模式和PeliCAN模式。在BasicCAN模式下支持CAN2.0A協議，在PeliCAN模式下支持CAN2.0B協議，功能更加強大。本節點是將SJA1000設置成在PeliCAN模式下工作。SJA1000的初始化只有在復位模式下才可以進行，具體的初始化主要注意以下幾個方面：

① 設置為復位模式：向MOD模式寄存器中寫入0x09選擇單濾波驗收，進入復位模式；

② 設置工作模式和時鐘分頻：向時鐘分頻寄存器CDR中寫入0x88選擇PeliCAN模式，關閉時鐘輸出CLKOUT，跳過輸入比較器；

③ 設置中斷使能：開放發送中斷超載中斷和錯誤警告中斷；

④ 定義驗收代碼和屏蔽代碼；

⑤ 設置通訊波特率；

⑥ 設置為正常操作模式：向MOD模式寄存器中寫入0x08，將SJA1000設為單濾波的總廠操作模式，這樣SJA1000就可以開始正常工作了。

5.2 AT91M40800外部中斷設置

AT91系列微控制器內部的有一個8優先級、可單獨屏蔽的向量中斷控制器，稱為先進中斷控制器 AIC（Advanced Interrupt Controller）。AIC可以將中斷處理的程序及時間開銷大大降低。中斷控制器方框圖如圖2所示。

圖2 中斷控制器方框圖

AIC中斷源如表1所示，從圖2可以看到，中斷控制器與ARM7TDMI的NFIQ(fast interrupt request)和 NIFQ（standard interrupt request）相連。NFIQ只能由快速請求引腳 FIQ產生，而 NIRQ則可以由片內外圍及外部中斷請求線 IRQ0～IRQ2產生。8優先級中斷編碼器允許用戶定義不同NIRQ中斷源的優先級。

內部中斷源可編程為電平敏感中斷或是邊沿觸發中斷。外部中斷則可編程為上升沿、下降沿觸發和高電平、低電平中斷敏感。

節點電路中把SJA1000作為AT91M40800芯片的一個I/O設備來看待，設定IRQ2為優先級為2的中斷源，在初始化完成后進入中斷服務程序，中斷服務完成后，程序繼續執行原來的代碼。

表1 AIC中斷源

外部中斷設置步驟：

首先假設：第一、AIC已經正確編程，AIC_SVR也已經寫入正確的中斷服務程序的入口地址，且中斷已經使能；第二、地址0x18（IRQ中斷向量地址）指令為

LDR PC,[PC,# -&F20]

當NIRQ到來，且CPSR的位I為0時，步驟如下：

① CPSR被拷貝到SPSR_irq，當前程序計數器PC的值被保存到IRQ鏈接寄存器（R14_irq），同時PC(R15)自身被賦予新值0x18；

② ARM內核進入IRQ模式；

③ 當指令 LDR PC,[PC,# -&F20]得到執行后，PC就被賦予了AIC_IVR的內容；

④ 上一步驟將程序跳轉到了對應的中斷服務程序；

⑤ 清零CPSR的位I就可以使其它中斷不被屏蔽，再施加的NIRQ可以被內核接受；

⑥ 接著，中斷例程可以保存相應的寄存器以保護現場；

⑦ 在退出中斷之前首先要置位 CPSR的位I，以便屏蔽其它中斷，保證多個中斷有序地完成；

⑧ 在結束中斷之前還必須執行一次對AIC_EOICR的寫操作，向AIC表明中斷已經完成；

⑨ SPSR(SPSR_irq)被恢復。

5.3 報文發送與接收[5]

SJA1000接受到匹配的數據幀后向控制器發出中斷請求，接收數據只需從接收緩沖區讀取數據，將其放在發送緩沖區中。AT91M40800與SJA1000構成的 CAN節點通信是一個半雙工通信模式，報文發送的前提是報文接收到的字節符合協議格式，在確定接收報文正確后給出協議響應來完成報文的發送。節點接收和發送程序流程圖如圖3和圖4所示。

圖3 接收流程圖

圖4 發送流程圖

6 結束語

本設計可以作為 CAN總線節點的一個模塊應用于變電站自動化系統，可確保實現變電站通信的實時性、可靠性及高速率傳輸性，可以大大促進變電站綜合自動化的進程。

[1] Philips Semiconductors.SJA1000 Stand_alone CAN controller[S].2000.

[2] 鄔寬明. CAN總線原理和應用系統設計[M]. 北京:航空航天大學出版社，2000.

[3] 馬忠梅等. AT91系列ARM核微控制器結構與開發[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2003.

[4] 楊紅科, 雷立英. 基于SJA1000的CAN總線接口電路的設計[J]. 南京工業職業技術學院學報,2006(6):54-56.

[5] 黎新亮, 關沫, 馬君璞. 基于SJA1000的CAN總線通訊模塊的設計.[J] 沈陽工業大學學報,2004(1):99-102.