基于DSP的CAN总线网络设计

白龙+王淑玉+付东辉+陈玉强

摘 要：文章利用TI公司的TMS320LF2407A内嵌的CAN控制器模块，构成了CAN总线通讯网络，给出了其硬件和软件设计的一般方法，从而为基于DSP的CAN总线监控系统的构建提供了一种模型化设计，设计具有较强的灵活性和通用性，可用于多种工业现场控制。

关键词：DSP；CAN总线网络；设计

中图分类号：TP332 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）22-0023-02

随着工业自动化的快速发展，传统的控制系统已经难于实现设备之间以及系统与外界的信息交换，成为了“信息孤岛”。而现场总线CAN（Controller Area Network）是众多现场总线中唯一具有国际标准的控制器局域网，CAN总线采用报文短帧结构，增强了系统的实时性，另外它还具有传输距离远、传输速率高、抗电磁干扰能力强、成本低等优点。现在已广泛应用于工业现场、控制智能大厦、小区安防、汽车行业、家用电器、医疗仪器及环境监控等众多领域。因此CAN总线已成为最有发展前途的现场总线之一[1]。

本文提出了一种较为通用的CAN总线网络系统的设计，利用TI公司的TMS320LF2407A的CAN控制器模块组成通讯网络，详细给出了其硬件电路和软件设计原理。

1 系统硬件设计

1.1 CAN总线网络的单个节点设计

美国德州仪器公司生产的TMS320LF2407A控制器内嵌CAN模块，支持最新的CAN2.0B通信协议，并利用内部邮箱实现数据的接收与发送，当总线的报文出现冲突和丢失数据时，启动非破坏性仲裁和自动重发送功能。通过DSP2407构成CAN节点其硬件设计简单，只要在外部增加CAN总线驱动即可，PCA82C250是飞利浦公司生产的支持CAN2.0B通信协议的驱动芯片[2]。DSP2407和PCA82C250构成的CAN接口硬件电路如下图1所示，DSP2407通过稳压芯片获得3.3V电源，PCA82C250则为5V电源，为了抑制总线回路中的回波反射，在总线终端接了阻值为120Ω的匹配电阻R4，由于CAN总线的电平与TTL电平不兼容，因此利用阻值为10kΩ的R1、阻值为3kΩ的R2、阻值为4kΩ的R3和快速回复二级管1N4007的D1构成电平转换电路。

1.2 单个节点的外围电路

为了使CAN总线网络中每个节点都能实现基本控制、参数修改、报警、存储、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能。我们以TI公司的TMS320LF2407A为控制核心设计了一种典型的单个节点的外围电路，如图2所示。

1.3 CAN总线网络设计

CAN总线网络是由多个CAN节点构成的现场总线网络，总线上可同时最多连接110個CAN节点。通讯介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，当通讯速率为5kbps以下时，通讯的最大距离可以超过10km，而当通讯距离小于40m时，通讯的最大速度可以超过1Mbps[3]。当CAN总线网络中某个节点出现重大错误情况，该节点将自动关闭输出功能，从而使得总线网络中上其他CAN节点的功能不受影响。图3为CAN总线网络的结构框图。

2 系统软件设计

2.1 初始化CAN控制器

由于CAN通讯用到的两个引脚CANTX和CANRX均为复用I/O口，因此在初始化时一般先要正确配置这两个I/O口，初始化定时器主要是对BCR1和BCR2进行配置，BCR1和BCR2两个寄存器决定了CAN控制器的通讯波特率、同步跳转宽度、采样次数和重同步方式。在整个设置过程中需对MCR寄存器中的改变配置请求位CCR和GSR寄存器中的CCE位进行判断和适当的配置。

初始化邮箱主要是设置邮箱的标识符、确定发送的是远程帧还是数据帧，以及对发送的数据区赋初值。这个过程中需要对MDER寄存器中的邮箱使能位MEn（n=0～5）和MCR寄存器中数据域改变请求位CDR进行适当配置。

2.2 信息的发送

CAN控制器在发送过程中共有四个邮箱可以使用，其中邮箱4和邮箱5为专用的发送邮箱，而邮箱2和邮箱3需对MDER寄存器中的邮箱使能位MEn进行配置后，才具备发送功能。同样，在发送数据前，首先需要使能发送请求标志位TSRn，并将发送数据写入发送邮箱，这时数据就被送到了CAN总线网络上。

2.3 信息的接收

CAN控制器的接收邮箱有邮箱0和邮箱1，以及被配置为接收方式的邮箱2和邮箱3。接收时需要设置其标识符、标识符相关的局部屏蔽寄存器LAM和RCR寄存器中的接收信息悬挂位RMPn（n=0～3）。

2.4 应用层协议

应用层是由各种应用程序组成的，从而为网络用户提供各种服务，某些服务被普遍使用后，通过相关组织形成了标准化，而应用层协议就是这些标准派生而来。在实际应用中CAN总线网络的通信协议可以有两种选择，一种是采用国际组织公布的标准化协议，如CANopen和DeviceNet等，优点是互换性和互操作性强；另一种是开发者自己制定通信协议，优点是协议简单易用，目前在CAN总线通信网络中得到了广泛的应用。

2.5 CAN节点与PC的通讯程序

CAN节点通过RS232接口实现与PC机的通讯，而PC机的程序采用Visual Basic 6.0 进行程序编写，利用ActiveX控件MSComm实现与计算机串口的通讯程序[4]。并通过数据库软件SQL Serve 2000对总线网络系统中的数据进行管理，为后期的数据分析和处理做好充足的准备。

3 结束语

本文设计了一种基于DSP的CAN总线网路系统，本系统经调试，软硬件工作均正常，各节点之间通讯快速并准确，当波特率为100kbps，平均延迟时间大于1ms时，网络负载低于35%，总线网络具有较好的性能。DSP有着内嵌的CAN控制器模块，使得构建CAN节点网络的电路简单容易，随着DSP在控制领域应用的越来越多，基于DSP的CAN总线网络系统将在自动控制、数据采集和信号采集等方面得到更为广泛的应用。

参考文献：

[1]饶运涛，邹继军，王进宏，等.现场总线CAN原理与应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[2]刘和平，王维俊，邓力，等.TMS320LF240xDSPC语言开发应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.

[3]刘和平，江渝，郑群英，等.DSP原理及电机控制应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[4]李江全，张丽，岑红蕾，等.Visual Basic串口通讯与测控[M].北京：人民邮电出版社，2007.