基于DSP的CAN總線通信程序

陳琪晟

（中鐵通信信號勘測設計（北京）有限公司，北京 100000）

基于DSP的CAN總線通信程序

陳琪晟

（中鐵通信信號勘測設計（北京）有限公司，北京 100000）

介紹基于TMS320F2812 DSP的CAN 總線的設計及應用方法。在分析CAN總線的主要技術特性及CAN總線在工業控制系統中所處的位置之后，給出DSP與CAN的硬件設計框圖。描述CAN節點軟件設計同時給出初始化流程以及發送程序流程圖及部分代碼。介紹的設計方法易于掌握且具有較強的靈活性和通用性，可用于多種工業現場控制。

TMS320F2812DSP；CAN總線；通信程序

1 概述

CAN是Controller Area Network的縮寫（以下稱為CAN），是ISO國際標準化的串行通信協議。1986年德國電氣商博世公司開發出面向汽車的CAN通信協議。此后，CAN通過ISO11898及ISO11519進行了標準化，在歐洲已是汽車網絡的標準協議。

CAN的高性能和可靠性已被認同，并被廣泛地應用于工業自動化、船舶、醫療設備、工業設備等方面。現場總線是當今自動化領域技術發展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網。它的出現為分布式控制系統實現各節點之間實時、可靠的數據通信提供了強有力的技術支持。

DSP芯片，也稱數字信號處理器，是一種特別適合于進行數字信號處理運算的微處理器，其主要應用是實時快速地實現各種數字信號處理算法。根據數字信號處理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特點：

1）在一個指令周期內可完成一次乘法和一次加法；

2）程序和數據空間分開，可以同時訪問指令和數據；

3）片內具有快速RAM，通常可通過獨立的數據總線在兩塊中同時訪問；

4）具有低開銷或無開銷循環及跳轉的硬件支持；

5）快速的中斷處理和硬件I/O支持；

6）具有在單周期內操作的多個硬件地址產生器；

7）可以并行執行多個操作；

8）支持流水線操作，使取指、譯碼和執行等操作可以重疊執行。

2 CAN節點通信設計

F2812DSP的增強型局域網控制器(eCAN)模塊與CAN2.0B標準兼容,借助32個完全可配置的郵箱和時間標志特性。eCAN模塊提供了一種具有通用性和強大功能的多主從工作方式通信接口。以TMS320F2812型DSP為核心芯片,eCAN總線通過研華CAN通信卡PCI-1680U與上位機實現連接，示意圖如圖1所示。

圖1 連接示意圖

2.1 CAN總線基本工作原理

CAN總線的通信過程是通過類似“會議”的機制實現的，只不過會議的過程并不是由一方（節點）主導，而是每一個會議參加人員（節點）都可以自主的提出會議議題（多主通信模式），二者流程對應關系如圖2所示。

圖2 CAN工作原理圖

2.2 CAN報文格式

在總線中傳送的報文，每幀由7部分組成。CAN協議支持兩種報文格式，區別之處在于標識符（ID）長度不同，標準格式為11位，擴展格式為29位。在標準格式中，幀起始（SOF）為報文的起始位，接著是由11位標識符和遠程發送請求位 (RTR）組成的仲裁場。RTR位是用來區別數據幀還是請求幀的，在請求幀中沒有數據字節。控制場包括標識符擴展位（IDE），它是指出標準格式還是擴展格式，它還包括一個保留位 (ro），為將來擴展使用。它的最后4個位是用來指明數據場中數據的長度（DLC）。數據場范圍為0～8 Byte,其后有一個檢測數據錯誤的循環冗余檢查(CRC）。應答場（ACK）包含應答位和應答分隔符。CAN發送的這兩位均為隱性電平（邏輯1），這時正確接收報文的節點發送主控電平（邏輯0）覆蓋它。用這種方法，CAN可以保證網絡中至少有一個節點能正確接收到報文。報文的尾部由幀結束指明。在相鄰的兩條報文間有一很短的間隔位，如果這時沒有節點進行總線讀取，總線將處于空閑狀態。

2.3 通信技術指標

波特率，這里用每秒傳送的位來計算，公式如下：

波特率=SYSCLK/（BRP×Bit_time）

其中：Bit_time（位時間）為每位的時間因子（TQ）數；SYSCLK為CAN模塊的系統時鐘頻率。與CPU時鐘頻率相同；BRP為BRP[7—0]+1（CANBTC寄存器的位）的二進制值。位時間Bit_time=（TSEGl+1）+（TSEG2+1）+1，這里SYSCLK=150 MHz，BRP=9，TSEGl=10，TSEG2=2，所以波特率為1 Mbit/s。

假設總線報文發送時間間隔為10 ms，報文為數據幀（8 Byte數據），根據通信波特率計算10 ms總共可以發送的bit為（1000000/1000）× 10=10000bit，計算最長的一幀報文的bit為1sof+ 29id+1ide+1rtr+1srr+2r+4dlc+8×8data+16crc+ 2ack+7eof=128 bit，可以得出10 ms內可以支持的報文數目2500/128≈78。

由上面的計算可知，當10 ms間隔的報文數量超過78條時，就會出現丟幀，總線飽和。

3 系統功能設計

CAN參數配置波特率為1 Mbit/s，幀類型選擇標準幀，發送標識符為Ox15100000，接收濾波模式為單濾波，選擇自定義屏蔽碼，過濾驗收碼為FFFFFFFF,過濾屏蔽碼為FFFFFFFF。上位機測試接收軟件在visual studio 2010 C#環境下編寫，下位機軟件在CCStudio v3.1環境中編寫調試而成，程序說明如下。

3.1 硬件設計

本實驗的硬件系統分為兩層：第一層是CAN總線與TMS320F2812接口層，用來實現CAN總線和TMS320F2812的物理接口；第二層為DSP與元器件的信息處理層，其CAN總線通信接口電路如圖3所示。

3.2 上位機軟件設計

上位機測試接收的軟件用C#編寫，部分主要設置和接收代碼如下。

圖3 CAN總線通信接口電路

通過調用函數Can_Set()設置CAN通信卡的相關參數；用nRet變量對相關參數檢查設置，通過返回值判斷設置成功與否，若失敗給出報警提示；參數設置成功后，調用后臺線程backgroundWorker2，調用接收方法函數ReceiveThreadMethod2，接收下位機發送的數據，并根據CAN總線錯誤檢測來檢查數據的正確性，若有錯誤通過故障報警進行相應的報警處理。如圖4所示。

3.3 下位機軟件設計

在使用CAN控制器之前，首先必須對它的內部寄存器進行初始化設置，包括相關IO口設置以及郵箱的相關配置。圖5所示是本系統的主程序流程圖，圖6所示是CAN消息發送流程圖。

圖5 主程序流程圖

3.3.1 主程序說明

圖6 CAN消息發送流程圖

3.3.2 eCAN初始化說明

3.3.3 eCAN發送程序說明

4 結語

此種通信方式在25 Hz智能軌道電路中得到運用，實踐證明這種通信方式的有效性，必將在該領域得到廣泛應用。

[1]劉和平，鄧力，江渝，等．數字信號處理器原理、結構及應用基礎[M]．北京：北京機械工業出版社，2007：328-329．

[2]蘇奎峰，呂強，耿慶峰，等．TMS320F2812原理與開發[M].北京：北京電子工業出版社，2005：262-268．

[3]顧衛鋼.手把手教你學DSP—基于TMS320X281x[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011：397-443.

國外簡訊

西門子開始班伯里的信號改造工程

依照英國路網公司于1月26日授予的4千萬英鎊立明頓溫泉鎮到海福德區段的信號設備更新合同，西門子鐵路自動化公司啟動了該信號改造工程。

為期22月項目將把目前由班伯里北和班伯里南信號站控制的信號區域的操作轉移到路網公司西中部信號中心的一個工作站處。立明頓溫泉鎮信號中心剩余的信號控制功能也將被轉移至西中部信號中心。

跟既有的設計相比，新的LED信號機將降低維護要求，同時西門子軌護西鎖計算機聯鎖正打算應用于班伯里和Aynho樞紐之間，以縮短間隔時間。

信號改造是與一個軌道更新項目同步進行的，該項目會使班伯里車站的布置更加合理化，以提高運營靈活性并減少維護需求。

（北京全路通信信號研究設計院有限公司 孔林楠譯自http：//www.railwaygazette.com 2014-01-29）

The paper introduces the design and application methods of TMS320F2812 DSP-based CAN bus, and presents the block diagram of DSP and CAN hardware design after analyzing the main technical features of the CAN bus and its position in industrial control systems. It also illustrates CAN node software design with initial fl ow, sending procedure fl ow and codes. The design methods introduced here can be learned easily, they have high fl exibility and universality and can be used in some industrial fi eld control.

TMS320F2812 DSP; CAN bus; communication program

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.02.012

2014-07-22）