针对DSP运动控制器的CAN总线软硬件设计

赵锦芝，杨 威

（中原工学院 机电学院，河南 郑州450007）

随着电工电子技术和信息技术的快速发展，各种科技产品功能变得越来越强大，设备也变得更加复杂。在自动控制领域，如电力电器控制、深空作业、自动驾驶、机器人控制等，TMS320LF2407A扮演着重要角色。当工控机所要控制的电机较多，或需要传输的数据量较大，实时性要求较高时，DSP运动控制器与上位机之间的通信将是设计人员必须考虑的问题。针对以上问题，本文提出了使用CAN（Controller Area Network）总线进行通信。CAN总线是目前唯一有国际标准的现场总线，它不仅价格低廉，结构灵活，尤其在强干扰的恶劣环境下仍具有很高的可靠性。CAN总线的通信速率最高可达1 Mb/s，此时的传输距离为40 m。如果传输距离比较远，可适当地降低通信速率以增大传输距离[1]。CAN总线以上这些特性使其应用越来越广泛。并且CAN总线是实现分布式控制的一种方式，比起集中式控制，分布式控制使控制系统变得简单、安全可靠。因此，研究TMS320LF2407A的CAN总线通信的硬件接口电路的设计和其软件的实现，将有很大的实际应用价值。CAN总线系统结构框图如图1所示，DSP运动控制器可以直接挂在用于CAN总线通信的两根线上，最多可实现110个DSP运动控制器与上位机的通信。

1 硬件接口电路的设计

完整的CAN总线硬件接口电路如图2所示，其主要由3部分组成，分别为CAN驱动器TJA1050、电气隔离器（即双通道数字式磁隔离器ADUM1201BRZ）以及未画出的CAN控制器（即DSP控制芯片）。

如图2所示，ADUM1201BRZ芯片的第2个引脚CANRX接TMS320LF2407A DSP的第70个引脚，ADUM1201BRZ芯片的第3个引脚CANTX接TMS320LF2407A DSP的第72个引脚。也可以接在其他DSP芯片CAN接口上或独立的控制器SJA1000CAN上，使该电路具有很高的移植性和参考价值。

图1 CAN总线系统结构框图

图2 TMS320LF2407A运动控制器的CAN总线硬件接口电路

1.1 CAN驱动器的设计

CAN驱动器是CAN控制器与物理总线之间的接口，具有CAN总线的差动发送和接收功能。现在市场上多用PCA82C250作为CAN总线驱动器，但是本文提出了使用TJA1050总线驱动器替代PCA82C250。因为TJA1050除了具有PCA82C250的主要特性以外，在某些方面的性能还作了很大的改善，如优化了输出信号CANH和CANL之间的耦合，大大降低了信号的电磁辐射（EMI）；在DSP运动控制器未上电时，该节点不会干扰总线（对于未上电节点的性能作了优化）等。最重要的是，TJA1050和PCA82C250的封装、引脚功能和芯片外围电路基本相同，在大多情况下前者可以替换后者，使用户在不改变PCB板的情况下就可以享受TJA1050所带来的优势[2-3]。

在数据传输时，当一个位从隐性切换为显性时，需要额外的电流来驱动总线，由于受限于电压调节器的调节速度，这时就需要一个旁路电容来稳定CAN电压（+5 V），否则CAN电压将会有一定的偏离。电压不断地偏离，就会产生震荡电压（恶性电压），震荡电压会产生电磁辐射，进而影响通信。因此，如图2所示添加旁路电容（C45）将非常重要，电容的大小由电压调节器的性能而定，性能好的可适当小些，但至少要大于0.1μF。如图2所示，电阻（R08）是作为CAN总线通信的终点电阻，其作用是匹配总线阻抗，提高数据通信的抗干扰性及可靠行。当CAN总线上只有一个DSP运动控制器时，DSP运动控制器上就必须有这个电阻，否则，不能正常地通信。当有两个或两个以上DSP运动控制器，其中一块板上有这个电阻就可以完成通信。至于图2中电阻R09大小的选择可参照TJA1050数据手册。

1.2 CAN电气隔离器的设计

虽然CAN总线接口采用差分传输，使其具有一定的抗共模干扰能力，但是在复杂的应用场合下，各个节点之间可能存在很高的共模电压。当共模电压达到一定值时就会使CAN驱动器无法正常工作。因此，为了使DSP运动控制器能够适应强干扰环境，或是在高性能要求下工作，就必须对CAN总线各个节点进行电气隔离，即在CAN总线进入DSP运动控制器CAN_H、CAN_L的通信通道之前添加具有电气隔离的芯片。以往大都使用6N137高速光电隔离芯片（最高速率为10 Mb/s），一个6N137芯片只能隔离一路通信通道，且6N137为8个引脚，再加上6N137芯片外围的限流电阻，使得DSP板的CAN通信电路变得比较复杂，进而降低了电路的可靠性。本设计采用ADI公司推出的双通道数字隔离器ADUM1201，它与6N137相比有更高的通信速率，最高可达到25 Mb/s；减少了CAN总线有效回路信号的传输延迟时间；具有更高的额定隔离电压，是6N137的两倍。ADUM1201还有体积小、性价比高、应用灵活、功耗低的特点[4-5]。ADUM1201的使用使得CAN总线接口电路更加简单可靠。ADUM1201BRZ两侧电源和参考地之间需要接入0.01μF～0.1μF电容，以滤除高频干扰，防止电磁辐射。在PCB布局时，电容与ADUM1201BRZ之间的距离最好在20 mm以内，以便达到更好的滤波效果。

双通道数字式磁隔离器ADUM1201在CAN总线通信中的应用，不但提高了系统的性能，简化了系统的结构，增加了系统的稳定性，而且还降低了系统的功耗，为CAN总线隔离的实现提供了一种相当好的解决方案。

1.3 CAN总线电源的电路设计

电气隔离器件两侧所用电源VCC（+5 V）与CAN（+5 V）必须完全隔离，否则，电气隔离将失去应有的作用。本文采用100μH的电感进行隔离。电源地与信号地也要分开，原因是：电源地上大的电流会在信号地上产生一个电压差（可以解释为：虽然导线阻值很小，但如果所流过的电流较大时，也会在此导线上产生电位差，这也叫共阻抗干扰），使信号地的真实电位高于0 V，如果信号地的电位较大时，有可能会使信号本来是高电平的，却误判为低电平，进而影响数据传输的准确性。CAN总线电源硬件电路如图3所示。

图3 CAN总线电源的电路

2 CAN总线软件的实现

2.1 CAN初始化

在使用CAN通信之前，必须对DSP的一些寄存器进行设置，包括对位定时器的设置和邮箱初始化的设置。配置位定时器流程图如图4所示，初始化邮箱流程图如图5所示。

图4 配置位定时器流程图

图5 初始化邮箱流程图

CAN总线通信程序的初始化比较简单，一般只需要修改两处即可实现程序的移植。一处是BSR1、BCR2寄存器，以确定CAN总线通信的波特率，波特率的设置必须与上位机程序中波特率的设置大小一致，否则，通信的数据不对。另一处是修改MSGID2H寄存器，它是用来设置整个DSP运动控制器的ID号。如：MSGID2H=0x0004时，ID=1，每个DSP运动控制器的ID号不能重复，因为CAN适配器是靠ID号来识别通信的。

2.2 CAN数据的中断、接收和发送

CAN数据的接收是通过中断来实现的，至于数据的发送可以采用定时器定时发送，也可以在接收到数据后再发送。当DSP运动控制器向上位机发送数据时，只需把要发送的数据赋给MAX4n邮箱即可；当DSP运动控制器接收上位机的数据时，上位机只需把所要发送的数据通过CAN适配器赋给MAX2n邮箱即可[6]，这样就实现了上位机与多个DSP运动控制器的通信。

3 实验

根据图1中的CAN总线适配器，试验中采用武汉吉阳光电科技有限公司生产的GY8507 USB转CAN总线接口适配器。图6所示为上位机中用VC++6.0编写的CAN通信人机界面[7]，该界面能够实现两组数据的发送和接收。用户在发送数据之前首先点击“CAN初始化”按钮，待CAN初始化成功之后，再发送所需的数据。

图6 CAN通信人机界面

CAN总线接口电路是CAN总线通信中的重要环节，其通信的可靠性与准确性直接影响功能的实现。本文设计的CAN总线接口电路简单、安全可靠，为DSP运动控制器功能的实现提供了保障。更是实现了CAN总线通信软件的模块化设计，并用实验验证了其正确性，从而降低了开发难度，大大缩减了CAN总线通信程序实现的周期。

[1]夏继强.现场总线工业控制网络技术[M].北京.北京航空航天大学出版社，2005.

[2]NXP Semiconductors.Datasheet TJA1050，high speed CAN transceiver[Z]，2000.

[3]NXP Semiconductors.Data sheet PCA82C250，CAN controller[Z].2000.

[4]ISOCOM.Datasheet 6N137，high CMR，very high speed optically coupled isolator logic gate output[Z].2005.

[5]ADI公 司.Datasheet ADUM1201，dual-channel digital isolatorst[Z].2004.

[6]刘和平.TMS320LF240x DSP C语言开发应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.

[7]夏崇镨，任海军.Visual C++课程设计案例精编[M].北京：清华大学出版社，2008.