基于CAN的程序下载器与通讯调试器设计

基于CAN的程序下载器与通讯调试器设计

1． 引言
在电子产品的各种通讯方式中，CAN（Controller Area Network）总线以其高可靠性、实时性、传输距离远的特点得到广泛的应用，已经成为许多高档汽车（如奔驰、宝马等）车电系统的总线标准。于是出现了许多内部集成CAN控制器的单片机，如Atmel公司的T89C51CC0X系列单片机就是其中性价比较高的一款，它具有丰富的内部资源，支持CAN方式的在线编程。我们在使用此系列产品的过程中，针对其应用普遍但编程器较少的特点，开发了一款基于T89C51CC01CA芯片的CAN程序下载和CAN节点调试器，它既能对同类单片机进行编程，又能通过CAN总线对具有CAN通讯功能的设备进行调试。
2． 系统结构框图
2.1  系统原理框图。如图1所示，PC机通过高速的USB方式或低速的UART方式连接到下载调试器上，下载调试器将PC的消息封装成CAN命令帧的形式转发，完成下载功能或CAN节点调试功能。
 
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2.2  调试器框图。如图1所示，当使用CAN调试器功能时，在CAN总线上可以挂接多个设备。CAN调试器作为一个智能终端，参与总线的运行。
2.3下载器原理框图。如图2所示，当使用下载器功能时，用户可以选择CAN下载方式或串口下载方式，但为了保证下载的正确性，每次只允许连接一个从设备。
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图2：下载器原理框图
3． 下载调试器硬件及框图
下载调试器连接PC机和CAN总线上的节点，完成数据流格式的转换，并且利用内部的RAM空间对上/下行数据流的速度进行缓冲匹配。整个硬件主要分成四个部分：主控器件、通讯转换芯片、功能控制部分和电源部分。硬件框图和电路图分别为图3和图4。
 
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3．1 主控器件
主控芯片为Atmel公司的T89C51CC01芯片，该芯片采用51内核技术，与其它单片机相比具有很多的优势：
 丰富的内部资源： 32Kbytes 片内Flash、 256bytes片内RAM、 1Kbytes片内XRAM、2Kbytes片内EEPROM、2Kbytes片内程序引导区、八通道10位AD等。
 内部集成完全支持V2.0A/V2.0B标准的CAN控制器，该控制器具有15个独立的邮箱，每个邮箱具有多种工作模式。消息的接收、发送、校验过程完全通过硬件来完成，不需要用户的干预。
 片内程序引导区支持ISP（In-Systerm Programming）和IAP（In-Application Programming）功能，使程序下载变得非常容易。
3．2 通讯转换芯片
下载调试器与PC机的接口芯片为PL2303，它完全支持USB协议V1.1，能够自动完成USB数据格式和UART数据格式间的转换。并且为了匹配两种方式的速度，该芯片分别为上传和下传的数据流配置了256字节的RAM。CAN总线的驱动芯片为ATA6660，它将TTL电平转换为差分信号输出，在通讯距离达到10km时，传输速率仍可达到50kbit/s。
3．3 控制电路
控制电路主要有三个功能：下载器功能或调试器功能选择，串口下载方式或CAN下载方式选择，硬件复位条件控制。           
4． 编程器功能
4．1 编程对象
编程器的主要服务对象为一系列支持CAN下载或串口下载的器件，如T89C51CC01/02/03等。T89C51CC01在保留51系列并行下载方式的基础上，又扩展了串口UART或CAN 的ISP（在线）下载方式。 T89C51CC01有两个系列，T89C51CC01UA芯片的程序引导区在生产时固化了UART引导程序，支持UART方式的在线下载功能；T89C51CC01CA芯片的程序引导区固化了CAN引导程序，支持CAN总线方式的在线下载功能。本文以CAN下载方式为例介绍下载原理。为了表达的方便，将用户的PC机称为主机，被编程的器件称为从机。
4．2  T89C51CC01CA芯片的程序引导区
T89C51CC01CA芯片内部有2Kbytes的程序引导区，分成3个部分：ISP通讯管理、函数调用管理、Flash存储器管理。“ISP通讯管理”部分管理从机引导程序区和编程器间的通讯，对编程器的串行数据流进行解释并转换为对从机Flash存储器的访问；“函数调用管理”为IAP提供各种函数；“Flash存储器管理”执行对从机Flash存储器底层的读、写操作。
4．3 编程流程
从机中固化的驱动程序遵守CAN2.0A标准帧协议格式，数据帧的11位标识符用来对目标器件和目标器件的寄存器寻址。因此将标识符的高8位作为基地址，用来区分不同的器件；将标识符的低3位作为偏移地址，用来代表不同的命令。

编程器首先发送偏移地址为0的数据帧，进行通讯初始；接着编程器发送偏移地址为1的数据帧，选择编程区域（Flash或EEPROM），并设置编程的起始和结束位置；从机发回应答消息后，编程器通过偏移地址为2的数据帧连续发送编程数据；一个数据块发送完毕后，编程器继续选择需要编程的区域，直到完成整个写数据任务；此后编程器发送偏移地址为3的数据帧读取从机Flash或EEPROM中的数据，完成数据校验的任务。编程器也可以发送偏移地址为4或5的数据帧对一些配置字节进行修改。下载的流程图如图5：
 
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    编程器使用FLIP软件，这个软件可以从Atmel公司的网站上免费获得。
5．CAN调试器功能
本设计的另一个重要功能是作为调试器使用，对具有CAN功能的节点进行通讯调试。主机通过高速的USB口与调试器通讯，调试器将主机的数据流封装成具有CAN2.0A或CAN2.0B格式的命令帧，再由CAN控制器发送到总线上；而接收到的报文经过相反的数据转换过程传回到主机上。
主机的CAN调试界面用VB程序编写的，分通用功能界面（图6）和面向应用的CAN总线调试界面（图7）两个部分。两种功能的侧重点不同，前一种主要用于节点的初期调试，重点在于实现节点间的通讯连接和节点状态测试；后一种用于实现具体的任务，重点在于节点间任务分配和全局时序响应。两个部分在功能上相互补充，满足不同层次的需要。
5．1   CAN总线调试器的通用功能界面设计
    CAN总线调试器的通用功能用来监测总线的状态、测试新的命令和接收不同节点的消息帧。例如当CAN总线上加入新的节点或总线出现故障时，可以用这种方式进行调试。如图7所示，用户根据具体的应用要求任意设置CAN的帧结构中的仲裁域、控制域和数据域中的所有位的值，发送各种命令帧；也可以加入报文过滤器，有选择的接收相关的消息帧。
此种方式的主要功能为：
 改变IDE位的值，选择发送标准帧或扩展帧；
 改变仲裁域中基本ID和扩展ID的值，将命令帧发送到CAN总线上的不同节点；
 修改RTR位的值，选择发送数据帧或远程帧；
 改变数据长度，发送不同长度的数据帧；
 改变通讯速率，测试通讯的可靠性，寻求速率和距离的最优解决方案；
 改变报文过滤器的值，接收特定ID范围内的消息帧，并实时显示；
 显示各种状态值，对总线的健康状态进行评估；
 将接收到的消息帧保存在用户指定的文件中，方便对数据的后期的分析处理； 
5．2  面向应用的CAN总线调试器界面设计
该方式面向用户的实际工程，根据任务的要求为CAN的帧结构中的各种域赋予明确的意义，例如ID码中就可以包含优先级、源器件地址和目标器件地址等。这种方式的重点是系统级任务的实现，因此将调试器作为总线上的智能节点，既能接收其它节点的报文，又能对其它节点发出命令，从而完全具备实际节点的所有功能，满足整个系统的时序要求。
如图8所示，为了使界面具有很好的可读性，将复杂的CAN消息的数字表达方式文字化，即用户对命令或报文过滤器内容设置完成后，可以为命令或报文过滤器指定一个名字。各种报文的发送和接收都以用户定义的文字来表示，程序自动在文字与CAN的帧结构间转换，从而具有很好的可读性。这种方式下的特点为：   
 系统配置文件的管理。每个工程的命令帧、报文过滤器的设置和接收的数据被保存在独立的配置文件中，通过“文件”菜单可以打开、保存和关闭工程的配置文件，而且可以在编辑当前工程配置文件的基础上生成新工程的配置文件，简化新工程的开发步骤。
 命令管理。在“发送命令”区显示了已经定义的命令，这些命令都以用户定义的名字表示，可以通过命令按钮添加、修改、删除命令，进行命令的后期维护。
 报文过滤。在“接收设置”区显示了用户可以接收的报文的ID，这些ID范围之外的报文将被屏蔽。通过命令按钮可以添加、修改、删除ID，并且在设置接收过滤的时候，可以指定接到报文后系统自动回复的消息内容，增加了软件的灵活性。
6． 结束语
本设计将编程器和CAN总线调试器集成到同一个器件中，开发了相应的操作软件，提高了器件的使用范围和方便性。随着CAN总线的广泛应用，以及CAN下载方式的推广，这项技术也将得到进一步推广。