基于LPC2294的CAN总线智能节点设计

一。本设计给出的CAN总线智能节点设计方案，它采用内置多路CAN总线控制器的LPC2294作为主控制器，采用隔离CAN收发器CTM1050T作为收发器,使得该节点体积小、功耗低、抗干扰性好，因而特别适用于汽车、工业控制以及医疗系统和容错维护总线中。
   1.硬件设计
   1.1 LPC2294的特点
   LPC2294是PHILIPS公司推出的一款功能强大的超低功耗的具有ARM7TDMI内核的32位微控制器。内部嵌入256 KB的高速Flash 存储器和16KB静态RAM。128 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32 位代码能够在最大时钟速率（60MHz）下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16 位Thumb 模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。
   由于LPC2294 的144 脚封装、极低的功耗、两个个32 位定时器、八通道10 位ADC、四路互连的CAN接口、PWM 通道（六路）以及多达九个外部中断管脚使它们特别适用于汽车、工业控制应用以及医疗系统和容错维护总线。
   LPC2294 集成4路CAN 控制器。他们具有如下特性：
   ★ 单个总线上的数据传输速率高达1Mb/s
   ★ 32 位寄存器和RAM访问
   ★ 兼容CAN 2.0B, ISO 11898-1标准
   ★ 全局验收滤波器可以识别所有CAN 总线的11 位和29 位Rx 标识符
   ★ 验收滤波器为选择的标准标识符提供了Full CAN-style 自动接收功能
   1.2      隔离CAN收发器CTM1050T
   CTM1050T是一款带隔离的高速CAN收发器芯片，其主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平，并且具有（DC 2500V）隔离功能、ESD保护功能及TVS管防总线过压功能。CTM1050T具有以下特性：
   ☆完全符合CAN 2.0和ISO 11898标准的CAN收发器
   ☆具有隔离、ESD保护功能及TVS管防总线过压功能；
   ☆速率最高达1Mbit/s；
   ☆隔离电压：DC 2500V
   ☆电磁辐射EME极低，电磁抗干扰EMI性极高；
   ☆无需外加元件可直接使用。
   1.3      CAN智能节点硬件电路设计
   CAN智能节点硬件电路如图1所示。
   
   图1基于LPC2294的CAN总线智能节点硬件电路
   主控制器LPC2294的晶振频率范围为1～30MHz。本设计选晶振频率为20MHz。内部256KB的高速Flash存储器用于代码和数据的存储。对于FLASH存储器，可通过内置的串行JTAG接口进行在系统编程（ISP In-System Programming），或进行在应用编程（IAP In-Application Programming）。为了便于调试和系统升级，在设计中总可以预留这些接口电路。
   LPC2294采用双电源供电。CPU的供电电压范围为1.65～1.95V（1.8±0.15V）,I/O供电电压范围为3.0～3.6V(3.3±03V)。
   隔离CAN总线收发器CTM1050T是CAN协议控制器和物理总线之间的接口。在以往的设计方案中需要高速光耦（6N137）、DC/DC电源隔离模块、CAN收发器等其他元件才能实现带隔离的CAN收发电路，现在只需利用一片CTM1050T接口芯片就可以实现带隔离的CAN收发电路，并且隔离电压可以达到DC 2500V。
   1.4硬件的抗干扰设计
   在本设计所应用的场合中，产生电磁信号的设备较多，包括超短波设备、音频设备、电源等，因此抗干扰设计显得尤为重要。主要采取了以下措施：
   （1）为了进一步提高CAN总线节点的抗干扰能力，保证各节点之间在电气上是完全隔离和独立的，我们采用隔离CAN收发器CTM1050T，取代传统的光耦与电源隔离模块，提高性能的同时简化电路设计。
   （2）在CAN总线的两端加有两个120Ω的电阻，这两个电阻对于总线阻抗的匹配起着相当重要的作用。去掉它们会使数据通信的抗干扰性及可靠性大大降低，甚至无法通信。
   （3）CANH和CANL与地之间并联了两个30pF的小电容，可虑除总线上的高频干扰并且具有一定的防电磁辐射的能力。
   2.软件设计
   对于一般的32位ARM嵌入式应用系统，在运行主程序前必须初始化运行环境，即编写ARM控制器启动代码。该启动代码包括异常向量表、堆栈初始化、存储系统初始化和目标板初始化等，一般用汇编语言编写。
   对于该设计来说，关键的是编写CAN驱动程序。主程序只需通过调用驱动程序提供的接口来实现数据的接受和发送。驱动程序包括四部分内容：CAN控制器的初始化、接收数据、发送数据和总线异常处理。图2为主程序流程图。
   
   图2 主程序流程图
   2.1      CAN控制器的初始化
   初始化CAN 控制器的操作包括：硬件使能、设置管脚连接、软件复位、设置报警界限、设置总线波特率、设置中断工作方式、设置验收滤波器工作方式、设置工作模式并启动CAN等。需要特别指出的是设置总线波特率是个难点，所有CAN节点的波特率都要相同才能正常工作，所以要正确配置VPBDIV和PLL寄存器。在设置各CAN寄存器之前必须进行软件复位，这是因为CAN的某些寄存器必须在软复位下读写。
   值得注意的是，LPC2294为所有的CAN 控制器提供了全局接收标识符查询功能。2KB的接收过滤用RAM可容纳1024个标准标识符或者512个扩展标识符或两种类型混合的标识符。通过软件处理，可在该RAM中设置存放1～5个标识符表格，它能更容易的对任意复杂的ID进行筛选过滤，满足复杂的ID的接受过滤要求。大大减少了系统软件设计复杂度及运行时的负担。设置验收滤波器工作方式，必须首先创建LUT表格，指定每个表格的起始地址，并用实际的ID地址初始化该表格。最后设定验收滤波器模式寄存器。若该节点不主动发送数据，可选择在总线不活动时进入睡眠模式。
   2.2 数据发送
       将待发送的数据打包成符合CAN 协议的帧格式后，便可写入发送缓存区，并启动发送。在写发送缓存区前必须查询其状态。LPC2294中的CAN控制器为了提高大量数据发送的效率，每个CAN控制器都有三个独立的发送缓冲区，它们的状态可以通过查询CANSR得知。只有当其中有空闲的发送缓冲区时才可将数据写入。在发送大量数据数，这一步显得尤为重要，否则发送可靠性将不能保证。启动发送成功后，只能通过查询CANGSR的TCS位或配合发送成功中断来判断数据是否发送成功。
   2.3 数据接收
   接收数据可采用查询方式或中断方式。在某一段时间内，CAN总线并不总是在活动，为了提高效率，可采用中断方式。在初始化程序中必须使能接收中断。在中断服务子程序中，读取CANICR，判断是否有接收中断标志，有则读取接收缓冲区数据。
   2.4 异常情况处理
   在总线发生严重故障的情况下，CAN节点有可能脱离总线，此时以下寄存器位被置位：CANSR的BS位、CANIR的BEI位和EI位（如果使能）和CANMOD的RM位。RM将许多CAN控制器功能复位和禁止。软件下一步必须置零RM位。发送错误计数器将递减计数总线释放条件（11个连续的隐性位）的第128个事件。软件可通过读取Tx错误计数器对计数器递减计数的情况进行监测。
   一些不是很严重的错误一般不会引起总线错误，即使不处理也不会产生什么致命错误，为了提高中断处理速度，可以根据实际情况裁减中断服务程序。
   3结束语
   由于该方案体积小、功耗低、抗干扰性好，现已应用于电磁环境复杂的某装甲车通信设备中，满足了该项目对CAN网络节点的要求。此外该设计作为CAN总线节点的一个模块，能够和仪器仪表等设备相结合，使其具有网络通信的能力，有着广阔的应用前景。
   
   本文作者创新点：隔离CAN收发器CTM1050T的使用取代了在以往的设计方案中需要高速光耦（6N137）、DC/DC电源隔离模块、CAN收发器等分立元件才能实现的带隔离的CAN收发电路，现在只需利用一片CTM1050T接口芯片就可以实现带隔离的CAN收发电路，并且隔离电压可以达到DC 2500V。在简化硬件电路开销的同时提高了系统的抗干扰性能。