AVR單片機集成CAN總線控制器分析與應用

2011-01-01 00:00:00王治國高玉峰劉亞龍

電子產品世界 2011年6期

引言

CAN總線應用中，總線節點是CAN總線的基本組成部分。CAN總線節點有兩種典型設計方法，第一種方法采用MCU結合獨立CAN控制器組成總線節點：第二種方法采用獨立的MCU，這時MCU需要內部集成CAN控制器。由于第二種設計方法所用的器件少，電路關系簡單，已得到廣泛應用。本文重點分析AVR系列單片機內部集成的CAN控制器及其應用方法。

AT90CAN集成CAN總線控制器分析

AVR內部集成CAN控制器的芯片主要包括AT90CAN32／64／128三種單片機，它們之間的主要區別是存儲空間不同。

AT90CAN32／64／128內部集成的CAN總線控制器由CAN通道和郵箱組成，其工作參數通過寄存器設置，工作過程也通過寄存器監控。CAN控制器基本結構如圖1所示。

CAN總線控制器組成

CANh通道

CAN通道是CAN控制器用于完成發送和接收的部分。使用CAN控制器時，需要對CAN通道工作模式和位定時進行設置。

(1)CAN通道工作模式

CAN通道有使能、待命以及只聽三種工作模式。不同模式下通道、時鐘以及寄存器的工作模式不同，詳細內容見參考文獻[3]。

(2)位定時

CAN通道位定時的概念和基本規定與CAN總線協議一致。AVR~~列單片機中，CAN總線控制器時間份額(TQ即為波特率分頻器輸出時鐘信號的周期。CAN總線位周期由同步段(SYNS)、傳播段(PRS)、相位緩沖段l(PHSl)、相位緩沖段2(PHS2)組成，每個時間段的長度都是時間份額(T∞的整數倍。通過位定時設置可以確定各時間段的長度，同時還可以設置重同步跳轉寬度(SJw)以及信號采樣位置和采樣次數。設置時，CAN總線位時間必須設置在8～25個時間份額之間。位定時設置完畢后即可計算總線波特率，計算方法見參考文獻。

郵箱及報文對象(MOb)

AT90CAN32／64／128單片機集成的CAN控制器通過郵箱存儲報文，并以MOb的形式管理。郵箱包含ls個獨立的MOb，每個MOb都可以設置為接收或發送模式。發送時，編號小的MOb優先級高。接收時，只有當CAN控制器接收到報文的標識符與某個MOb預先設置的標識符吻合時，CAN控制器才會將接收到的報文存儲在該MOb中，并可以通過中斷的方式通知單片機。CAN控制器還可自動對遠程幀作出應答，從而減輕CPU的負擔。

(1)MOb工作模式

MOb包括禁止、發送、接收、自動應答、幀緩沖器接收等6種不同的工作模式。芯片復位后，MOb并沒有默認的工作狀態。因此，在使能MOb之前必須對MOb進行配置，配置內容及相應的工作模式如表l所示。

(2)接收濾波器

AT90CAN32／64／128單片機集成的cAN總線控制器接收報文時，首先要完成接收濾波。接收濾波時，需要將接收報文的ID+RTR+RBn+IDE域與接收模式MOb的IDT+TRITAG+TBnTAG+IDE域進行比較，比較過程中要考慮掩碼(AVR單片機掩碼為“1”時無效，掩碼為“0”時有效)，結果一致后確認匹配，相應MOb的內容被更新。接收濾波器原理圖如圖2所示。

(3)MOb頁

郵箱中的MOb以頁的形式存儲和管理。當需要選擇郵箱中某個MOb進行操作時，首先要用CANPAGE寄存器完成對MOb的選擇，然后才能進行相應操作。

(4)CAN數據緩存區

為了保護MOb寄存器的配置，將寄存器存儲在MOb內部，而數據則存儲在CAN數據緩存區中。緩存區可看作一個隊列，每一個MOb都對應一個緩存區，數據緩存區可通過CAN消息寄存器訪問。訪問某一個MOb對應的數據緩存區時需要使用數據索引，該索引是指向緩存區中某個數據字節的地址指針。CAN報文數據的第一個字節存儲在數據緩存區索引為O的地址。

CAN中斷

CAN控制器包括普通中斷和特殊中斷。普通中斷包括接收完成中斷、發送完成中斷、錯誤中斷f位錯誤、填充錯誤、CRC校驗錯誤、形式錯誤、應答錯誤)、幀緩沖區滿中斷以及總線關閉設置中斷等。特殊中斷主要指CAN定時器超時中斷。普通中斷由ENIT位使能，特殊中斷由ENORVT位使能。CAN總線控制器各種中斷的相互關系如圖3所示。

當中斷發生時，相應MOb的CANSTMOB寄存器中斷標志位或通用CANGIT寄存器的中斷標志位置位。如果CANIE寄存器中的ENRX／ENTX／ENERR職位，CANSITn寄存器中相應的MOb位置位，以指出發生中斷的MOb。

為了響應Mob中斷，CANsTMOB寄存器中的相應位(RXOK、TXOK)必須通過軟件復位。具體的復位操作過程為“讀一修改一寫入”。

為了響應普通中斷，CANGIT寄存器中的相應位(BXOK、BOFFIT)必須通過軟件復位。該操作需要通過向這些標志位寫入邏輯“1”完成。OVRTIM(cAN定時器溢出中斷)標志位復位的方式有所不同。當執行CAN定時器溢出中斷程序以及CANGIT寄存器中其它中斷標志位置位時，OVRTIM標志位自動復位。

傳輸過程中，當CAN控制器檢測到形式錯誤時，將同時觸發位錯誤，從而產生2種錯誤中斷。當出現MOb錯誤時，僅在CANSTMOB寄存器中置位相應的標志位，CANGIT寄存器不會發生變化。

控制寄存器

AVR系列單片機通過控制寄存器設置并控制CAN總線控制器的工作。控制寄存器包括通用寄存器和MOb寄存器。CAN總線控制器寄存器結構如圖4所示。

(1)通用寄存器

通用寄存器包括控制寄存器和狀態寄存器兩類。

CAN通用控制寄存器(CANGCON)和通用狀態寄存器(CANGSTA)用于設置及查詢CAN控制器的工作模式；CAN通用中斷寄存器(CANGIT)和通用中斷使能寄存器(CANGIE)用于使能中斷并查詢中斷標志：CAN使能MOb寄存器(CANEN2和CANENl)用于使能MOb。CAN使能MOb中斷寄存器(CANIE2和CANIEl)用于使能MOb中斷；CAN位定時寄存器(CANBTl、CANBT2和CANBT3)用于設置位定時相關的內容，包括時鐘分頻系數、同步跳轉寬度、總線位周期各段長度和采樣點：CAN定時器控制寄存器(cANTCON)用于設置CAN定時器分頻系數。CAN定時器寄存器(cANTIML和CANTIMH)用于讀取CAN定時器計數值：TTC定時器寄存器(CANTTCL和CANTTCH)用于讀取TTC定時器計數值：CAN發送錯誤計數器寄存器(cANTEC)用于記錄CAN發送錯誤次數。CAN接收錯誤計數器寄存器(cANREC)用于記錄CAN接收錯誤次數：CAN最高優先級MOb寄存器(cANHPMOB)用于記錄具有最高優先級MOb的頁碼：CAN的MOb頁寄存器(CANPAGE)用于設置當前有效MOb的頁碼以及CAN數據緩沖區索引增加模式，同時可設置或讀取CAN數據緩沖區索引值。

(2)MOb寄存器

MOb狀態寄存器(CANSTMOB)用于顯示MOb的狀態，主要包括發送、接收完成信息以及錯誤信息：MOb控制與數據長度控制寄存器(CANCDMOB)用于設置當前有效MOb的工作模式、標識符擴展標志以及數據長度：標識符寄存器(CANIDTl、CANIDT2、CANIDT3和CANIDT4)用于設置MOb標識符；標識符屏蔽寄存器(CAN!DMl、CANIDM2、CANIDM3和CANIDM4)用于設置MOb標識符屏蔽碼：時間戳寄存器(cANSTML和CANSTMH)用于讀取MOb時間戳：數據寄存器(cANMSG)用于讀寫當前有效MOb的數據。

控制器工作原理與使用方法

CAN總線控制器根據通用寄存器的設置確定其基本工作參數(位定時、中斷設置、CAN定時器設置等)。工作時，CAN通道掃描郵箱中的MOb，完成發送和接收。發送時，CAN通道尋找設置為發送模式并具有最高優先級的MOb，找到后通過CAN通道向總線發送該MOb。接收時，CAN通道掃描設置為接收模式的MOb，通過接收濾波發現匹配的MOb后，根據接收報文刷新匹配的MOb。

根據上述CAN總線控制器工作原理，首先利用通用控制寄存器完成對CAN控制器的基本配置，主要包括位定時、中斷、CAN定時器等的設置：然后利用MOb頁寄存器和MOb寄存器初始化MOb，主要包括標識符、標識符屏蔽碼等；之后使能CAN通道，CAN通道將掃描郵箱內的MOb，并根據MOb設置進行相應操作，操作結果可通過查詢或中斷的方式監控。

集成CAN總線控制器應用

應用CAN控制器可完成發送、接收、自動應答、錯誤處理等任務。下面重點討論發送和接收的應用方法。

發送數據幀或遠程幀

(1)發送前初始化。需要初始化的域包括標識符(IDT)、標識符擴展位(IDE)、遠程發送請求位(TRTrAG)、數據長度代碼(DLC)、保留位(RBnTAG)、消息需要發送的數據(MSG)。

(2)配置MOb(CONMOB)。配置完成后，MOb發送數據幀或遠程幀準備就緒。

(3)CAN通道掃描配置為“發送”狀態的所有MOb、找到優先級最高的1個后，將其發送出去。

(4)發送結束后，TXOK標志位置位(可產生相應中斷)。

(5)在重新始化之前，MOb所有參數和數據均可訪問。

3.2接收數據幀或遠程幀

(1)接收前初始化。需要初始化的域包括標識符(IDT)、標識符掩碼(IDMSK)、標識符擴展位(IDE)、標識符擴展位掩碼(IDEMSK)、遠程發送請求位(TRTTAG)、遠程發送請求位掩碼(TRTTAGMSK)、數據長度代碼(DLC)、保留位(RBnTAG)。

(2)配置MOb(CONMOB)。配置完成后，MOb接收數據幀或遠程幀準備就緒。

(3)當總線收到幀標識符時，CAN通道掃描所有設置為“接收”模式的MOb，找出匹配且優先級最高的1個，該MOb的IDT、IDE、DLC由接收到的數據幀更新。