工业控制中的CAN总线接口模块硬件设计原理解析

本文提出了基于DSP内嵌增强型CAN控制器（ECAN）模块的智能总线接口设计方案。该设计创新性地采用了ADI公司最新发布的ADM3053芯片作为ECAN接口驱动，该芯片集成了CAN收发器、信号隔离、DC/DC供电隔离，达到了接口小型化、低功耗、低成本的目的。给出了ECAN模块系统架构和总线接口硬件电路。在软件设计上，重点论述了ECAN模块内部寄存器和邮箱结构，给出了软件初始化、消息发送、消息接收流程，最后给出了CAN总线消息过载的处理方法。经实测表明，该智能总线接口模块工作稳定，信号品质良好，满足工业控制需求。

0 引言

CAN 总线以其可靠、实时、低成本优势已在汽车、机械等工业控制领域广泛应用。TMS320F2812是TI公司最具代表性的低成本、低功耗和高性能的定点DSP芯片，具有强大的事件管理能力和嵌入式控制能力。其内嵌的增强型CAN 总线控制器（ECAN）模块，完全兼容CAN 2.0B 协议，邮箱数量增加至32 个，并增加了时间戳、消息过滤和超时发送功能，提高了应用CAN通信的灵活性。

ADM3053是ADI公司2011年推出一款集成信号和电源隔离功能的CAN 收发器。本文采用集成ECAN 模块的TMS320F2812 和ADM3053 来设计CAN 节点。该设计将内嵌ECAN模块的DSP作为节点主控制器，同时采用ADM3053芯片有效替代了传统CAN收发器、信号隔离、供电隔离三部分电路，有效实现了模块小型化、低功耗、低成本。

本接口模块能够实现正常的CAN通信，通信控制更加灵活。采用CAN通信监控卡和专用示波器CANScope对该接口的数据包、电平特性、眼图进行分析，结果显示信号品质良好。

1 硬件设计

1.1 硬件系统设计

典型的工业控制中CAN总线接口模块硬件原理框图如图1所示，它由智能处理器、CAN协议控制器、信号隔离、收发器及供电隔离组成。智能处理器负责总线数据收发，CAN协议数据的解析和管理，响应上位机命令并反馈接口健康状态；CAN 总线控制器功能是实现数据链路层功能，包括位时序逻辑、错误管理逻辑、验收滤波器、收发缓冲管理等；CAN总线收发器功能是实现物理层功能，主要是收发信号与总线差分电平的相互转换；隔离电路包含信号隔离和电源隔离两部分，实现控制器与收发器之间的完全电气隔离。

传统的CAN总线接口电路是由采用独立的接口管理CPU、CAN控制器、收发器及隔离电路搭建，这种方法占用板面积大、接口逻辑复杂、成本高。本设计应用了ADI 公司最新发布的ADM3053 芯片，该芯片集成了CAN 收发器、信号隔离及供电隔离三部分功能，见图1中虚线方框部分。应用ADM3053有以下优势：

（1）功耗低体积小。采用了基于电磁隔离原理的iCouple信号隔离专利技术。功耗相当于同数据传输率下传统光电隔离器的1/10.同时采用了基于高频开关的芯片级变压技术isoPower实现供电隔离。在CAN 协议控制器与物理层总线之间创建一个完全隔离的接口。使得元器件数量减少，节约电路空间，简化了接口设计，降低了设计复杂度；

（2）性能更高。在时序精度、瞬态共模抑制力、通道间匹配性能均优于传统光电隔离器；（3）产品成本更低。每个通道成本相当于传统光电隔离器的40%.

1.2 ECAN模块结构

ECAN的接口与结构电路如图2所示。ECAN具有32位内部结构，包括协议内核（CPK）和消息控制器。

在协议内核CPK 收到一个来自总线的消息后，消息控制器中的接收控制单元确定是否把接收的消息存储到32 个消息邮箱RAM 中的某一个中。接收控制单元要检验消息的状态、标识符和消息对象的屏蔽来决定邮箱的位置。接收的消息经过滤波后存放到第一个邮箱中。如果接收控制单元不能找到任何一个存储接收消息的邮箱，则消息被丢弃。

一个消息有11位或29为标识符、一个控制域和最多8个字节的数据构成。当要发送一个消息时，消息控制器把这个消息发送到CPK 的发送缓冲区中，以便在下一个总线空闲状态时开始发送消息。当多于一个消息要被发送时，最高优先级的消息将被消息控制器发送到CPK中，如果两个消息的优先级相同，则大序号的邮箱首先发送。

1.3 接口电路设计

本文使用的接口管理CPU 为TMS320F2812,使用其内部集成的ECAN模块，因此只需要连接CAN总线收发器模块和隔离器件即可实现CAN总线接口功能。

ECAN接口电路图如图3所示。

ADM3053的左侧为逻辑端，逻辑端管脚接线如下：

（1）RXD 和TXD 分别接DSP 的ECANRX 和ECANTX引脚；

（2）VCC接逻辑端VCC（+5 V）电源；

（3）VIO接DSP的IO供电电压VIO;

（4）GND管脚接逻辑端地线端GND_LOG.

ADM3053 的右侧为总线端，总线端的管脚接线如下：

（1）CANH 和CANL 之间与CAN 物理总线相连，且确保总线两端并联120 Ω端接电阻；

（2）总线端电压输入VISOIN 接隔离电压输出VI-SOUT,并通过滤波电容接地；（3）CANH和CANL连接共模电感ACT45B-510-2P,滤除总线上的共模信号；

（4）CANH和CANL并联TVS管PESD1CAN,作为瞬态抑制保护，防止总线上的瞬变干扰。

2 软件设计

2.1 ECAN的存储器映射ECAN的寄存器被映射到片内存储器的外设帧1区域，CPU 用这些寄存对CAN 的消息对象进行配置和控制，控制和状态寄存器只允许32 位存取。ECAN 提供了32个消息邮箱，每个邮箱可以配置为发送或接收邮箱。消息是一块RAM 区域，映射到DSP 的RAM 存储器，每个邮箱RAM 的地址分配如图4 所示。消息邮箱用来存储接收到的CAN消息或存放等待发送的CAN消息。当邮箱不用于存储CAN 消息时，CPU 可以将消息邮箱RAM 空间当成通用存储器使用。ECAN模块寄存器和消息RAM空间如图4所示。

2.2 通信软件

2.2.1 系统初始化

ECAN模块初始化在初始化模式下才能进行，初始化模式和正常操作模式之间的转换时通过CAN网络同步实现的，也就是说，CAN 控制器在改变模式之前，要检测总线空闲状态（等于11个接收位），如果产生支配总线错误，CAN控制器将不能检测到总线空闲状态，因此也不能完成模式切换。将CCR寄存器置1,使CAN模块工作于初始化模式，而且只有CCE寄存器设置为1时，才能执行初始化操作。完成上述设置后，才能操作ECAN模块配置寄存器。ECAN模块的初始化流程如图5所示。

2.2.2 消息发送

根据系统初始配置，将待发送的数据写入ECAN模块相应消息邮箱的数据区，这里需要注意数据字节顺序DBO 寄存器的设置。当DBO=0 时，数据读写从CAN-MDL寄存器的最低有效位开始，到CANMDH 寄存器的最高有效位结束。当DBO=1 时，数据读写从CANMDL寄存器的最高有效位开始，到CANMDH 寄存器的最低有效位结束。置发送命令字CANTRS.n=1,启动发送操作，ECAN模块将自动置响应命令字CANTA.n=1.最后手动清发送命令字和响应命令字。消息发送流程如图6所示。

2.2.3 消息接收

根据系统初始配置，ECAN模块接收邮箱中接收到总线上的消息时，相应的接收消息等待寄存器CAN-RMP.n被置位，此时CPU应该核对消息丢弃标志寄存器RML.如果RML 为1,说明邮箱中的消息已被覆盖，CPU可以选择向源节点请求重发，本次接收流程结束。

当RML为0时，CPU可以从邮箱数据区读取数据，同时清RMP.n,然后进入等待接收状态（RMP=0,RML=0）。

消息接收流程如图7所示。

2.2.4 过载处理

如果CPU 的速度不能快速地处理重要消息，出现消息过载情况，这种情况可以通过增加备份邮箱来解决，即配置多个相同标识符的邮箱。对于ECAN 模块，每个消息对象有自己的屏蔽LAM（n）。为了保证不会丢失消息，将备份消息对象的覆盖保护寄存器OPC 标志位置位，从而防止未读取的消息被覆盖。如果ECAN模块需要存储接收到的消息，则先查看备份邮箱，如果备份邮箱为空则存储消息。如果备份邮箱的RMP标志被置位，说明消息未被读取。由于备份邮箱数据无法被覆盖，故将消息数据存储在原始邮箱，此时产生的一个中断可以用来读取备份邮箱的重要数据。

本文设计的CAN智能总线接口模块经物理环境下多节点收发测试，结果显示硬件电路工作稳定，数据收发功能正常，总线电平特性和眼图如图8所示。

由图8 可以看出总线信号（CANH,CANL）规整，差分后信号波形平滑，眼图显示接口通信品质良好。

3 结论

应用ADM3053 芯片可有效缩小电路板面积，符合小型化原则，可以有效降低CAN总线接口模块的成本，具有广阔的应用前景。