董庭瓊 劉志浩 邵亞軍

（中國(guó)人民解放軍第二炮兵工程大學(xué) 陜西 西安 710025）

0 引言

CAN-bus（Controller Area Network）即控制器局域網(wǎng)是由德國(guó)Bosch公司為汽車應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的多主機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)，主要應(yīng)用于汽車的監(jiān)測(cè)和控制。德國(guó)Bosch公司開(kāi)發(fā)CAN總線的最初目的是為了解決汽車上數(shù)量眾多的電子設(shè)備之間的通信問(wèn)題，減少電子設(shè)備之間繁多的信號(hào)線。于是設(shè)計(jì)了一個(gè)單一的網(wǎng)絡(luò)總線，使所有的外圍器件可以被掛接在該總線上。作為一種技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、功能完善、成本合理的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通訊控制方式，已被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中。基于CAN總線的優(yōu)越性和廣泛應(yīng)用，許多著名的芯片生產(chǎn)商都推出了獨(dú)立的CAN控制器芯片，或者帶有CAN控制器的MCU芯片。

圖1 CAN控制器結(jié)構(gòu)圖

在CAN總線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，濾波器的設(shè)置起著非常重要的作用，濾波器設(shè)置的好壞將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，所以本文針對(duì)CAN控制器中的濾波器的設(shè)置方法進(jìn)行研究探討，并根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出一套濾波器設(shè)置的方法。

1 CAN控制器介紹

1.1 CAN控制工作原理

CAN控制器用于將欲收發(fā)的信息報(bào)文轉(zhuǎn)換為符合CAN規(guī)范的CAN幀，通過(guò)CAN收發(fā)器在CAN總線上交換信息。CAN控制器主要包括接口管理邏輯、CAN核心模塊、發(fā)送緩沖器、驗(yàn)收濾波器、接收FIFO等部分組成，如圖1所示。

（1）接口管理邏輯

接口管理邏輯用于連接外部主控制器，解釋來(lái)自主控制器的命令，控制CAN控制器寄存器的尋址，并向主控制器提供中斷信息和狀態(tài)信息。

（2）核心模塊

核心模塊在收到一個(gè)報(bào)文時(shí)會(huì)根據(jù)CAN規(guī)范將串行位流轉(zhuǎn)換成用于接收的并行數(shù)據(jù)，發(fā)送一個(gè)報(bào)文時(shí)則相反。

（3）發(fā)送緩沖器

發(fā)送緩沖器用于存儲(chǔ)一個(gè)完整的報(bào)文，當(dāng)CAN控制器發(fā)送初始化時(shí)，接口管理邏輯會(huì)使CAN核心模塊從發(fā)送緩沖器讀CAN報(bào)文。

（4）驗(yàn)收濾波器

驗(yàn)收濾波器可以根據(jù)用戶的編程設(shè)置，過(guò)濾掉無(wú)須接收的報(bào)文。

（5）接收 FIFO

接收FIFO是驗(yàn)收濾波器和主控制器之間的接口，用于存儲(chǔ)從CAN總線上接收的所有報(bào)文。

（6）工作模式

CAN控制器可以有兩種工作模式 （BasicCAN和Peli-CAN）。BasicCAN僅支持標(biāo)準(zhǔn)模式，PeliCAN支持CAN2.0B的標(biāo)準(zhǔn)模式和擴(kuò)展模式。在SJA1000復(fù)位模式下，設(shè)置寄存器CDR.7為“0”，即設(shè)置CAN控制器SJA1000工作于BasicCAN模式；設(shè)置寄存器CDR.7為“1”，即設(shè)置CAN控制器SJA1000工作于PeliCAN模式，相比較而言，PeliCAN功能更強(qiáng)大一些。

1.2 CAN控制器分類

市場(chǎng)上有許多CAN控制器，大致可以分為兩類：一類是獨(dú)立的控制器芯片，如SAJ1000；另一類是和微控制器做在一起，如NXP半導(dǎo)體公司的Cortex-M0內(nèi)核LPC11Cxx系列微控制器、LPC2000系列32位ARM微控制器。CAN控制器的大致分類及相應(yīng)的產(chǎn)品如表4.1所示。

表1 CAN控制器分類及相應(yīng)產(chǎn)品型號(hào)

PLILIPS公司的獨(dú)立CAN處理器SJA1000是一種比較理想的選擇，它是市場(chǎng)上比較受歡迎的一款芯片，SJA1000不僅與傳統(tǒng)的CAN控制器PCA82C250硬件兼容，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了新的運(yùn)行方式，支持具有新功能的CAN2.0B協(xié)議。另外，SJA1000T擴(kuò)展出了64個(gè)字節(jié)的FIFO接收緩沖器，可以接收兩個(gè)以上的報(bào)文，SJA1000T還為增強(qiáng)錯(cuò)誤處理功能增強(qiáng)了一些新的特殊功能寄存器，包括：可讀/寫訪問(wèn)的錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器，可編程的錯(cuò)誤告警極限，前次錯(cuò)誤碼寄存器，每次CAN總線錯(cuò)誤均引起錯(cuò)誤中斷及借助位置細(xì)分的仲裁丟失中斷。所有這些優(yōu)點(diǎn)使得SJA1000成為了當(dāng)前CAN總線應(yīng)用中的主流器件。論文將以SJA1000作為研究對(duì)象進(jìn)行分析總結(jié)。

2 濾波器的工作原理

CAN系統(tǒng)中，驗(yàn)收濾波器的設(shè)置非常重要，在CAN總線上，CAN幀信息由一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送，其他節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收，每當(dāng)總線上有幀信息，節(jié)點(diǎn)都會(huì)把濾波器的設(shè)置和接收到得幀信息的標(biāo)識(shí)碼相比較，節(jié)點(diǎn)只接收符合一定條件的信息，對(duì)不符合條件的CAN幀不予接收。所以濾波器的設(shè)置如果設(shè)置合適，便可以提高整個(gè)系統(tǒng)的效率，減輕CAN控制器的信息處理量，否則便會(huì)影響系統(tǒng)。在SJA1000中，濾波器的設(shè)置主要是由4個(gè)驗(yàn)收碼寄存器ACR0、ACR1、ACR2、ACR3和4個(gè)AMR0、AMR1、AMR2、AMR3 來(lái)實(shí)現(xiàn)的， 濾波方式有兩種：?jiǎn)螢V波器模式（AFM位是1）和雙濾波器模式（AFM位是0）。

濾波的規(guī)則是：每一位驗(yàn)收屏蔽分別對(duì)應(yīng)每一位驗(yàn)收代碼，當(dāng)該位驗(yàn)收屏蔽位為“1”的時(shí)候（即設(shè)為無(wú)關(guān)），接收的相應(yīng)幀ID位無(wú)論是否和相應(yīng)的驗(yàn)收代碼位相同均會(huì)表示為接收；當(dāng)驗(yàn)收屏蔽位為“0”的時(shí)候（即設(shè)為相關(guān)），只有相應(yīng)的幀ID位和相應(yīng)的驗(yàn)收代碼位值相同的情況才會(huì)表示接收。只有在所有的位都表示為接收的時(shí)候，CAN控制器才會(huì)接收該報(bào)文。

3 濾波器的設(shè)置方法

濾波器的設(shè)置這個(gè)環(huán)節(jié)，大多數(shù)人通常沒(méi)有具體的考慮，只是從實(shí)現(xiàn)功能的角度來(lái)完成濾波器的設(shè)置，沒(méi)有進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，作者在濾波器的設(shè)置方面依據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出一種優(yōu)化的設(shè)置方法，能夠使濾波器的濾波速度提高幾倍。

3.1 濾波器設(shè)置的常見(jiàn)方法

濾波器設(shè)置的方法與標(biāo)識(shí)符的分配有關(guān)系，標(biāo)識(shí)符分配非常靈活，但總結(jié)起來(lái)主要有兩種，也是出于濾波器的考慮而進(jìn)行的兩種分配方法：源節(jié)點(diǎn)法和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)法。源節(jié)點(diǎn)法就是分配幾個(gè)標(biāo)識(shí)符作為報(bào)文發(fā)送地址；目標(biāo)節(jié)點(diǎn)法就是分配幾個(gè)標(biāo)識(shí)符作為報(bào)文接收地址。因此濾波器的設(shè)置方法也分為兩種：源設(shè)置法和目標(biāo)設(shè)置法。

3.2 源設(shè)置法

源設(shè)置法是指標(biāo)示符按照源節(jié)點(diǎn)法分配時(shí)，濾波器的設(shè)置方法。其主要思想是在進(jìn)行濾波器設(shè)置時(shí)，首先要分析節(jié)點(diǎn)接收的報(bào)文主要來(lái)源于那些節(jié)點(diǎn)，而后再對(duì)這些節(jié)點(diǎn)的ID進(jìn)行分析，找出其異同進(jìn)而確定濾波器的驗(yàn)收碼與屏蔽碼的值。

表2 節(jié)點(diǎn)接收來(lái)源表

（1）分析節(jié)點(diǎn)接收信息來(lái)源

CAN總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自己唯一的ID用來(lái)區(qū)分節(jié)點(diǎn)，ID是區(qū)分節(jié)點(diǎn)的唯一特殊符，首先必須對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收的報(bào)文來(lái)源進(jìn)行總結(jié)。例如一個(gè)CAN總線系統(tǒng)中有六個(gè)節(jié)點(diǎn)，ID用四位標(biāo)示符表示，其ID分別為0000、0001、0010、0011、0100、0101，每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收的報(bào)文的來(lái)源表2所示。

（2）找出ID各位區(qū)別，確定驗(yàn)收碼與屏蔽碼

將節(jié)點(diǎn)報(bào)文的來(lái)源節(jié)點(diǎn)的ID與其他節(jié)點(diǎn)ID對(duì)比分析，由高位向地位的順序，找出ID標(biāo)示符每一位的異同，而后確定驗(yàn)收碼與屏蔽碼的值。例如上述系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)0000接收的報(bào)文來(lái)自節(jié)點(diǎn)0010和節(jié)點(diǎn)0011，最高位都為0，后三位都有0和1，所以我們可以設(shè)置濾波器的驗(yàn)收碼為x01x（x表示有設(shè)計(jì)者隨意取值），屏蔽碼為1001。

3.3 目標(biāo)設(shè)置法

目標(biāo)設(shè)置法是指標(biāo)示符按照目標(biāo)節(jié)點(diǎn)法分配時(shí)，濾波器的設(shè)置方法。其主要思想是在進(jìn)行濾波器設(shè)置時(shí)，首先要分析系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，而后根據(jù)數(shù)量分配合適的標(biāo)識(shí)符位數(shù)，最后以目標(biāo)地址來(lái)確定濾波器的驗(yàn)收碼與屏蔽碼的值。

（1）分析系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量，分配標(biāo)識(shí)符

CAN總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，目標(biāo)地址標(biāo)識(shí)符的分配要根據(jù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量來(lái)確定，不可多也不可少。例如當(dāng)系統(tǒng)中有六個(gè)節(jié)點(diǎn)，則只分配三個(gè)標(biāo)識(shí)符，節(jié)點(diǎn) ID 分別為 000、001、010、011、100、101。

（2）根據(jù)ID確定驗(yàn)收碼和屏蔽碼

根據(jù)上面的系統(tǒng)的分配，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)收碼分別確定為000、001、010、011、100、101，屏蔽碼則都是 000。

4 總結(jié)

本文對(duì)CAN總線控制器的原理，濾波器的原理和濾波器的設(shè)置進(jìn)行了討論，總結(jié)出濾波器設(shè)置的兩種方法，為今后的濾波器設(shè)置提供了借鑒，實(shí)驗(yàn)證明效果非常顯著，但是本文總結(jié)的濾波器的設(shè)置方法只適合于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸方式，對(duì)于點(diǎn)對(duì)多、廣播等方式傳播的設(shè)置方法還需要進(jìn)一步的研究。

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