AT91M40800与CAN总线的接口设计与软件编程

2010-07-25王小进李世学

船电技术 2010年4期

关键词：寄存器中断报文

王小进李世学

（中国船舶重工集团公司第712研究所，武汉430064）

1 引言

随着信息技术的发展，变电站自动化系统内部各设备间通讯信息量逐渐增大，传统的串口传输已成为数据传输的瓶颈。文中的接口设计结合ARM芯片与CAN控制器具有高实时性、高传输速率、高可靠性等特点，完全适合于变电站上设备间的大数据量实时传输。

2 CAN控制器SJA1000介绍

SJA1000[1]是Philips生产的独立CAN总线控制器，它是早期的 PCA82C200的替代产品。它与 PCA82C200在管脚、电气特性上完全兼容，不仅有和 PCA82C200一样的基本 CAN（BasicCAN）工作模式，而且新增加 CAN（PeliCAN）工作模式，这种模式支持具有很多特性的 CAN2.0B协议。经过简单连接和正确设置的SJA1000，能自动完成CAN总线物理层和数据链路成的所有功能，对于 ARM 芯片AT91M40800来说，只要把它堪称一个基本的I/O设备即可，使用非常简单、方便。SJA1000的主要特性如下[2]：

（1）扩展的接收缓冲器（64字节，先进先出FIFO）；

（2）和CAN2.0B协议兼容；

（3）同时支持11位和29位识别码；

（4）位速率最高可达1Mbits/s；

（5）支持多种微处理器接口；

（6）可编程的CAN输出驱动器配置。

3 AT91M40800简介[3]

采用RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点：

（1）体积小、低功耗、低成本、高性能；

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

（3）大量使用寄存器，指令执行速度更快；

（4）大多数数据操作都在寄存器中完成；

（5）寻址方式灵活简单，执行效率高；

（6）指令长度固定。

AT9140800是美国ATMEL公司推出的AT91系列微控制器中的成员，它基于ARM7TDMI核，包含8KB SRAM、外部总线接口EBI和一些外围部件。外围部件包括定时器、USART和中断控制器。AT91M40800是用于系统主控制器的理想通用微控制器，其内核 ARM7TDMI处理器的性能使得可由软件实现DMA、SPI和ISO7816接口等附加的外围功能。

4 接口电路硬件设计[4]

CAN属于现场总线的范畴，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，其协议是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，其模型结构只有三层，只取OSI底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。其信号传输介质为双绞线。通信速率最高可达1 Mbps/40 m，直接传输距离最远可达10 km/5 bps。可挂接设备最多可达110个。

CAN通信模块的硬件电路主要包括：CAN通信控制器与微处理器之间，以及 CAN总线收发器与物理总线之间的接口电路。运用AT91M40800和SJA1000设计的CAN总线节点接口电路如图1所示。

用Philips独立CAN控制器SJA1000作为通信控制器，使用Philips的82C251作为CAN控制器接口芯片，为了增强 CAN总线节点的抗干扰能力，SJA1000的TX0和RX0通过采用高速光耦 6N137实现收发器与控制器之间的电气隔离，满足在最高速率1Mb/s下的电气响应。

图1 CAN通信接口电路

5 ARM软件编程

基于AT91M40800和SJA1000设计的CAN总线节点的软件设计主要包括三大部分：SJA1000初始化、AT91M40800外部中断设置、报文发送与接收。结合图1接口电路图来从以下三个方面对ARM软件编程进行简要描述：

5.1 SJA1000的初始化

SJA1000具有两种工作模式，即 BasicCAN模式和PeliCAN模式。在BasicCAN模式下支持CAN2.0A协议，在PeliCAN模式下支持CAN2.0B协议，功能更加强大。本节点是将SJA1000设置成在PeliCAN模式下工作。SJA1000的初始化只有在复位模式下才可以进行，具体的初始化主要注意以下几个方面：

① 设置为复位模式：向MOD模式寄存器中写入0x09选择单滤波验收，进入复位模式；

② 设置工作模式和时钟分频：向时钟分频寄存器CDR中写入0x88选择PeliCAN模式，关闭时钟输出CLKOUT，跳过输入比较器；

③ 设置中断使能：开放发送中断超载中断和错误警告中断；

④ 定义验收代码和屏蔽代码；

⑤ 设置通讯波特率；

⑥ 设置为正常操作模式：向MOD模式寄存器中写入0x08，将SJA1000设为单滤波的总厂操作模式，这样SJA1000就可以开始正常工作了。

5.2 AT91M40800外部中断设置

AT91系列微控制器内部的有一个8优先级、可单独屏蔽的向量中断控制器，称为先进中断控制器 AIC（Advanced Interrupt Controller）。AIC可以将中断处理的程序及时间开销大大降低。中断控制器方框图如图2所示。

图2 中断控制器方框图

AIC中断源如表1所示，从图2可以看到，中断控制器与ARM7TDMI的NFIQ(fast interrupt request)和 NIFQ（standard interrupt request）相连。NFIQ只能由快速请求引脚 FIQ产生，而 NIRQ则可以由片内外围及外部中断请求线 IRQ0～IRQ2产生。8优先级中断编码器允许用户定义不同NIRQ中断源的优先级。

内部中断源可编程为电平敏感中断或是边沿触发中断。外部中断则可编程为上升沿、下降沿触发和高电平、低电平中断敏感。

节点电路中把SJA1000作为AT91M40800芯片的一个I/O设备来看待，设定IRQ2为优先级为2的中断源，在初始化完成后进入中断服务程序，中断服务完成后，程序继续执行原来的代码。

表1 AIC中断源

外部中断设置步骤：

首先假设：第一、AIC已经正确编程，AIC_SVR也已经写入正确的中断服务程序的入口地址，且中断已经使能；第二、地址0x18（IRQ中断向量地址）指令为

LDR PC,[PC,# -&F20]

当NIRQ到来，且CPSR的位I为0时，步骤如下：

① CPSR被拷贝到SPSR_irq，当前程序计数器PC的值被保存到IRQ链接寄存器（R14_irq），同时PC(R15)自身被赋予新值0x18；

② ARM内核进入IRQ模式；

③ 当指令 LDR PC,[PC,# -&F20]得到执行后，PC就被赋予了AIC_IVR的内容；

④ 上一步骤将程序跳转到了对应的中断服务程序；

⑤ 清零CPSR的位I就可以使其它中断不被屏蔽，再施加的NIRQ可以被内核接受；

⑥ 接着，中断例程可以保存相应的寄存器以保护现场；

⑦ 在退出中断之前首先要置位 CPSR的位I，以便屏蔽其它中断，保证多个中断有序地完成；

⑧ 在结束中断之前还必须执行一次对AIC_EOICR的写操作，向AIC表明中断已经完成；

⑨ SPSR(SPSR_irq)被恢复。

5.3 报文发送与接收[5]

SJA1000接受到匹配的数据帧后向控制器发出中断请求，接收数据只需从接收缓冲区读取数据，将其放在发送缓冲区中。AT91M40800与SJA1000构成的 CAN节点通信是一个半双工通信模式，报文发送的前提是报文接收到的字节符合协议格式，在确定接收报文正确后给出协议响应来完成报文的发送。节点接收和发送程序流程图如图3和图4所示。