宋耀東，于 淼，杜 雪，李 軍

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南鄭州 450047）

CAN 總線指的是控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）總線，是最先由德國(guó)博世公司提出的用于汽車控制的一種實(shí)時(shí)應(yīng)用的串行通信協(xié)議總線網(wǎng)絡(luò)，因其具有高性能、高可靠性、高實(shí)時(shí)性和配置靈活等特點(diǎn)，已經(jīng)成為世界上應(yīng)用最多的現(xiàn)場(chǎng)總線之一[1-3]。標(biāo)準(zhǔn)CAN 協(xié)議對(duì)物理層及數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行了定義，但在實(shí)際應(yīng)用中還要對(duì)應(yīng)用層進(jìn)行協(xié)議明確[4-5]。常見的應(yīng)用層協(xié)議有DeviceNET、J1939、CANOpen 等，這些協(xié)議偏重于通用性，其價(jià)格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適用于具體應(yīng)用。因此，通常需要針對(duì)具體應(yīng)用，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)CAN 協(xié)議設(shè)計(jì)相應(yīng)的具體應(yīng)用總線協(xié)議[6]。

隨著航天航空電子綜合化技術(shù)的發(fā)展，航天航空器內(nèi)部的系統(tǒng)功能復(fù)雜化和體量龐大化的同時(shí)，不同設(shè)備之間需要快速、可靠的通信。只有采用實(shí)時(shí)、穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)此種需求[7]。目前，航天飛行器內(nèi)部常用總線有1553B 總線、CAN 總線等。1553B 總線采用雙余度和指令/響應(yīng)方式異步通信的可靠性設(shè)計(jì)，在提高可靠性的同時(shí)，其成本也居高不下；而CAN 總線擁有很高的性價(jià)比，采用CAN 總線能夠降低飛行器的研制成本[8]。為滿足某航天項(xiàng)目多節(jié)點(diǎn)高可靠總線通信的需求，從高性能、高可靠性、低成本的角度設(shè)計(jì)了一種基于TMS320F28335 的CAN 總線的硬件接口、通信協(xié)議與軟件配置。

1 CAN總線系統(tǒng)硬件接口設(shè)計(jì)

CAN 總線是一種有效支持實(shí)時(shí)控制或分布式控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN 總線中的設(shè)備都可以通過其控制單元上的CAN 總線接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，它是一個(gè)多路傳輸系統(tǒng)，當(dāng)某一單元出現(xiàn)故障時(shí)不會(huì)影響其他單元的工作。CAN 總線中數(shù)據(jù)在串聯(lián)總線上可以單個(gè)順序傳送，符合ISO11898 標(biāo)準(zhǔn)。最大傳輸距離和傳輸速率成反比，傳輸速率為1 MB/s時(shí)，最大傳輸距離為40 m；傳輸速率為5 kB/s 時(shí)，最大傳輸距離為10 km。在傳輸介質(zhì)方面多采用雙絞線、同軸電纜等形式。

在標(biāo)準(zhǔn)CAN 通信協(xié)議中，有遠(yuǎn)程幀、數(shù)據(jù)幀、超載幀和錯(cuò)誤幀等4 種不同的幀格式。該文對(duì)應(yīng)的CAN 總線協(xié)議中只使用數(shù)據(jù)幀進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)幀仲裁段采用CAN2.0B 擴(kuò)展格式。利用總線控制器的29 位擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符來定義協(xié)議中的重要信息（如發(fā)送、接收設(shè)備等），通訊速率設(shè)為500 kbps，因此，相對(duì)應(yīng)的最大通信距離為130 m。

1.1 CAN總線多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的CAN 總線網(wǎng)絡(luò)是手拉手形式，連接示意圖如圖1 所示。

圖1 CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)連接方式

每臺(tái)設(shè)備的通信接口采用一入一出兩個(gè)插座，并在設(shè)備內(nèi)部將兩個(gè)插座的對(duì)應(yīng)接點(diǎn)一一聯(lián)接，通過雙絞電纜網(wǎng)把各接點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)聯(lián)接。終端電阻安置在電纜線的兩端或者兩端節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部。

每臺(tái)設(shè)備使用兩個(gè)9 芯插座的標(biāo)準(zhǔn)連接器，這兩個(gè)9芯插座的接點(diǎn)分配完全一致，兩個(gè)連接器各對(duì)應(yīng)點(diǎn)在設(shè)備內(nèi)相互短接，一個(gè)用于連接輸入，一個(gè)用于連接輸出，以方便形成整體鏈路。插座接點(diǎn)分配如表1所示。

表1 總線插座接點(diǎn)分配

CAN 總線網(wǎng)絡(luò)采用雙冗余的總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括A、B 兩條CAN 總線，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 雙冗余CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.2 TMS320F28335處理器功能簡(jiǎn)介

TMS320F28335 數(shù)字信號(hào)處理器是德州儀器公司出品的一款C2000 系列的浮點(diǎn)DSP 控制器，主頻高達(dá)150 MHz。該DSP 控制器擁有強(qiáng)大的實(shí)時(shí)處理能力，并將控制器需要的核心外設(shè)功能集于一身，具有實(shí)時(shí)控制能力強(qiáng)、外設(shè)豐富、功耗小等特點(diǎn)。在CAN 通信方面，TMS320F28335 集成了兩個(gè)全功能CAN2.0B 模塊——eCAN-A 和eCAN-B，每個(gè)模塊都具有32 個(gè)完整的、可獨(dú)立配置的郵箱和時(shí)間戳，因此其擁有強(qiáng)大而靈活的CAN 串行通信接口。

1.3 CAN接口電路

CAN 總線接口芯片采用PHILIPS 公司的PCA82 C250，其管腳定義如表2 所示。

表2 PCA82C250管腳說明

TMS320F28335 與PCA82C250 的連接關(guān)系如圖3所示。圖中采用164245電平轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)3.3 V和5 V 電平之間的相互轉(zhuǎn)換。

圖3 CAN接口電路設(shè)計(jì)

2 CAN總線通信協(xié)議設(shè)計(jì)

2.1 CAN位速率計(jì)算

正常位時(shí)間劃分為以下4 個(gè)互不重疊的時(shí)間段：同步段（SYNC_SEG）、傳播段（PROP_SEG）、相位緩沖段1（PHASE_SEG1）和相位緩沖段 2（PHASE_SEG2）。同步段總是等于1 個(gè)時(shí)間單元（TIME QUANTUM,TQ）。在TMS320F28335 的eCAN模塊中，CAN 總線的位長(zhǎng)度由TSEG1（組合了傳播段和相位緩沖段1）、TSEG2（定義了相位緩沖段2）和BRP（通信速率預(yù)定標(biāo)）3 個(gè)參數(shù)決定。位速率公式如下式所示[9]：

其中，BRPreg、TSEG1reg 和TSEG2reg 分別由寄存器BTC 的23-16 位、6-3 位和2-0 位決定。并且設(shè)置需要符合以下規(guī)則：

①TSEG1≥TSEG2；

②2TQ≤TSEG1≤16TQ；

③2TQ≤TSEG2≤8TQ；

④2TQ=3/BRP；

⑤如果設(shè)置了3 次采樣模式，BRP≥5。

如果系統(tǒng)頻率為150 MHz，設(shè)置BRPreg=9、TSEG1reg=10、TSEG2reg=2，那么CAN通信速率為500 kHz。

2.2 CAN擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀位序構(gòu)成

文中采用的是CAN2.0B 協(xié)議，是具有29 位標(biāo)識(shí)符的擴(kuò)展幀。其各個(gè)位的定義如表3 所示。

表3 CAN2.0B擴(kuò)展幀位序表

需要注意的是，根據(jù)CAN 總線協(xié)議規(guī)范，在構(gòu)成一幀的幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)和CRC 序列均借助位填充規(guī)則進(jìn)行編碼，當(dāng)CAN 發(fā)送器在發(fā)送的位流中檢測(cè)到5 位連續(xù)的相同數(shù)值時(shí)，將自動(dòng)地在實(shí)際發(fā)送的位流中插入一個(gè)補(bǔ)碼位。比如，連續(xù)位流000000B，在實(shí)際發(fā)送中變?yōu)?000010B。而其余場(chǎng)采用固定格式，不進(jìn)行填充。出錯(cuò)幀和超載幀也是固定格式，也不進(jìn)行位填充。另外，標(biāo)識(shí)符最高7 位（ID28-ID22）不能全是“隱性”電平，即ID28-ID22 不能全為“1”[10]。

2.3 CAN總線數(shù)據(jù)幀格式設(shè)計(jì)

將數(shù)據(jù)幀的29 位標(biāo)識(shí)符分成4 部分，如表4所示[11-12]。

表4 數(shù)據(jù)幀標(biāo)識(shí)符組成

優(yōu)先級(jí)PRI 分為00B（備用）、01B（主節(jié)點(diǎn)控制命令）、10B（狀態(tài)查詢、遙測(cè)查詢）和11B（保留）4 種。

站地址表示數(shù)據(jù)幀的目的地地址。各通信節(jié)點(diǎn)根據(jù)站地址設(shè)置屏蔽字，只接收與本通信節(jié)點(diǎn)有關(guān)的數(shù)據(jù)[13]。

幀類型分為兩部分，ID20-ID19定義為00B（主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)）、01B（從節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)）、10B（保留）和11B（保留）；ID18來定義單幀（0B）和多幀（1B）。

單幀數(shù)據(jù)場(chǎng)第一字節(jié)為有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（字節(jié)數(shù)），第二字節(jié)為數(shù)據(jù)包信息標(biāo)識(shí)（包括數(shù)據(jù)類型和發(fā)送端地址），第三字節(jié)開始為有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包結(jié)尾為和校驗(yàn)的低字節(jié)[14]。

多幀數(shù)據(jù)起始幀數(shù)據(jù)場(chǎng)長(zhǎng)度為8 字節(jié)，第一個(gè)字節(jié)為幀序0，第二個(gè)字節(jié)為數(shù)據(jù)包有效數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度（字節(jié)數(shù)），其他為數(shù)據(jù)[15]；中繼幀數(shù)據(jù)場(chǎng)長(zhǎng)度為8 字節(jié)，第一個(gè)字節(jié)為幀序，其他為數(shù)據(jù)；結(jié)束幀數(shù)據(jù)場(chǎng)長(zhǎng)度必須小于8 字節(jié)，第一個(gè)字節(jié)為幀序，其他為數(shù)據(jù)，結(jié)束幀有可能只包含一個(gè)字節(jié)的幀序號(hào)[16]。信息數(shù)據(jù)包格式如表5 所示。

表5 信息數(shù)據(jù)包格式

信息數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)分為高3 比特（數(shù)據(jù)類型同標(biāo)識(shí)符的幀類型TYPE）和低5 比特（發(fā)送端站地址）。

校驗(yàn)和是從序號(hào)0 到N的數(shù)據(jù)累加和的低字節(jié)。

2.4 CAN總線ID設(shè)置示例

根據(jù)上述規(guī)則設(shè)計(jì)以及TMS320F28335 寄存器設(shè)計(jì)，主節(jié)點(diǎn)控制ID、主節(jié)點(diǎn)查詢ID、從節(jié)點(diǎn)控制ID、從節(jié)點(diǎn)查詢ID 示例如表6 所示。

表6 節(jié)點(diǎn)ID設(shè)置示例

根據(jù)上表，主節(jié)點(diǎn)控制ID 設(shè)置為0x89200000，主節(jié)點(diǎn)查詢ID 設(shè)置為0x91200000，從節(jié)點(diǎn)控制ID 設(shè)置為0x89690000，從節(jié)點(diǎn)查詢ID 設(shè)置為0x916 C0000。

3 TMS320F28335 的eCAN 模塊軟件設(shè)計(jì)

TMS320F28335 的eCAN 配置、發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的步驟為：

1）使能CAN 模塊的時(shí)鐘；

2）設(shè)置CANTX 和CANRX 引腳到CAN 功能；

3）配置MC.SCB：0 為普通模式；1 為增強(qiáng)模式。該文配置為1；

4）初始化消息控制寄存器。MBOX0 到MBOX31的MSGCTRL 清零；

5）發(fā)送標(biāo)志TA、接收標(biāo)志RMP、中斷標(biāo)志GIF0、GIF1 寫1 清零；

6）設(shè)置CCR=1，等到CCE=1，確認(rèn)能夠更改配置寄存器TC；

7）設(shè)置BRPreg=9、TSEG1reg=10、TSEG2reg=2；

8）設(shè)置SAM=1，采樣3 次；

9）設(shè)置CCR=0，等到CCE=0，關(guān)閉配置寄存器TC 通道；

10）將寄存器ME 清零，以配置郵箱ID；

11）分配郵箱ID，比如郵箱0 的ID 設(shè)置為0x89200000，郵箱1 的ID 設(shè)置為0x91200000，郵箱2的ID 設(shè)置為0x89690000，郵箱3 的ID 設(shè)置為0x916 C0000；

12）設(shè)置郵箱方向，比如設(shè)置郵箱0和郵箱1為發(fā)送郵箱（MD=0）；郵箱2 和郵箱3 為接受郵箱（MD=1）；

13）使能郵箱，比如使能郵箱0，ME0=1；

14）設(shè)置郵箱數(shù)據(jù)區(qū)長(zhǎng)度，比如郵箱0 數(shù)據(jù)區(qū)長(zhǎng)度為8，MBOX0.MSGCTRL.bit.DLC=8；

15）設(shè)置發(fā)送郵箱的數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)，比如MBOX0.M DL.all=0x55AA55BB，MBOX0.MDH.all=0x11 223344；

16）設(shè)置發(fā)送郵箱發(fā)送標(biāo)志位，比如TRS0=1；等到發(fā)送應(yīng)答標(biāo)志TA0=1；置位TA0=1，寫1 清零，清除發(fā)送應(yīng)答位；

17）接收數(shù)據(jù)時(shí)，接收郵箱的消息掛起寄存器（RMP）中的相應(yīng)位為1，比如郵箱16，判斷RMP16=1，即表明郵箱接收到了數(shù)據(jù)；接收程序首先將RMP16寫1 清零，以便接收下一輪數(shù)據(jù)。

4 CAN通信示例測(cè)試

利用兩個(gè)CAN 節(jié)點(diǎn)對(duì)文中硬件和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試，設(shè)置為擴(kuò)展幀，速度為500 kbps，CAN 的ID設(shè)置同2.4節(jié)保持一致，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度設(shè)置為8字節(jié)。主CAN控制命令測(cè)試數(shù)據(jù)設(shè)置為0x55AA55BB11223344、查詢命令測(cè)試數(shù)據(jù)設(shè)置為0x55CC55DD66 778899；從CAN 控制回復(fù)測(cè)試數(shù)據(jù)設(shè)置為0x7EE7BBAA010 20304、查詢回復(fù)測(cè)試數(shù)據(jù)設(shè)置為0x7EE7DDCC060 70809。

測(cè)試流程為：1）主CAN 向從CAN 發(fā)送控制命令，從CAN 回復(fù)控制命令；2）主CAN 向從CAN 發(fā)送查詢命令，從CAN 回復(fù)查詢命令。通過CANtest 軟件監(jiān)控CAN 總線數(shù)據(jù)。監(jiān)控結(jié)果如圖4 所示。

圖4 CANtest軟件監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)

圖4 中第一行數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)主CAN 向從CAN 發(fā)送控制命令數(shù)據(jù)，第二行數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)從CAN 回復(fù)控制命令數(shù)據(jù)，第三行對(duì)應(yīng)主CAN 向從CAN 發(fā)送查詢命令數(shù)據(jù)，第四行對(duì)應(yīng)從CAN 回復(fù)查詢命令數(shù)據(jù)?？梢钥闯鰯?shù)據(jù)與設(shè)定值一致。

另外注意幀ID，此圖中幀ID 不完全等于所設(shè)定的幀ID，是因?yàn)門MS320F28335 設(shè)置的ID 格式中第31 到29 位不屬于CAN 的ID范圍，而第28位到0 位是CAN 擴(kuò)展幀的29 位ID。

通過示波器觀測(cè)CAN 數(shù)據(jù)的位時(shí)間，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖5 所示?？梢钥闯觯粫r(shí)間為2 μs，與設(shè)置的500 kbps 一致。

圖5 CAN數(shù)據(jù)波形圖

5 結(jié)束語

1）根據(jù)CAN 總線通信規(guī)范，設(shè)計(jì)了CAN 總線多節(jié)點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)；根據(jù)TMS320F28335 處理器eCAN 外設(shè)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了CAN 總線接口電路；

2）介紹了CAN 位速率計(jì)算方法和CAN 擴(kuò)展型數(shù)據(jù)幀的位序構(gòu)成，設(shè)計(jì)了CAN 總線數(shù)據(jù)幀格式，并給出了ID 設(shè)置示例；

3）根據(jù)TMS320F28335 處理器eCAN模塊的設(shè)置規(guī)則，對(duì)該模塊進(jìn)行了軟件配置，最終實(shí)現(xiàn)了CAN總線多節(jié)點(diǎn)的收發(fā)通信；

4）項(xiàng)目的后續(xù)多機(jī)CAN 通信需求可根據(jù)文中所設(shè)定的通信格式進(jìn)行協(xié)議制定。