本文提出了基于DSP內嵌增強型CAN控制器（ECAN）模塊的智能總線接口設計方案。該設計創新性地采用了ADI公司最新發布的ADM3053芯片作為ECAN接口驅動，該芯片集成了CAN收發器、信號隔離、DC/DC供電隔離，達到了接口小型化、低功耗、低成本的目的。給出了ECAN模塊系統架構和總線接口硬件電路。在軟件設計上，重點論述了ECAN模塊內部寄存器和郵箱結構，給出了軟件初始化、消息發送、消息接收流程，最后給出了CAN總線消息過載的處理方法。經實測表明，該智能總線接口模塊工作穩定，信號品質良好，滿足工業控制需求。

0 引言

CAN 總線以其可靠、實時、低成本優勢已在汽車、機械等工業控制領域廣泛應用。TMS320F2812是TI公司最具代表性的低成本、低功耗和高性能的定點DSP芯片，具有強大的事件管理能力和嵌入式控制能力。其內嵌的增強型CAN 總線控制器（ECAN）模塊，完全兼容CAN 2.0B 協議，郵箱數量增加至32 個，并增加了時間戳、消息過濾和超時發送功能，提高了應用CAN通信的靈活性。

ADM3053是ADI公司2011年推出一款集成信號和電源隔離功能的CAN 收發器。本文采用集成ECAN 模塊的TMS320F2812 和ADM3053 來設計CAN 節點。該設計將內嵌ECAN模塊的DSP作為節點主控制器，同時采用ADM3053芯片有效替代了傳統CAN收發器、信號隔離、供電隔離三部分電路，有效實現了模塊小型化、低功耗、低成本。

本接口模塊能夠實現正常的CAN通信，通信控制更加靈活。采用CAN通信監控卡和專用示波器CANScope對該接口的數據包、電平特性、眼圖進行分析，結果顯示信號品質良好。

1 硬件設計

1.1 硬件系統設計

典型的工業控制中CAN總線接口模塊硬件原理框圖如圖1所示，它由智能處理器、CAN協議控制器、信號隔離、收發器及供電隔離組成。智能處理器負責總線數據收發，CAN協議數據的解析和管理，響應上位機命令并反饋接口健康狀態；CAN 總線控制器功能是實現數據鏈路層功能，包括位時序邏輯、錯誤管理邏輯、驗收濾波器、收發緩沖管理等；CAN總線收發器功能是實現物理層功能，主要是收發信號與總線差分電平的相互轉換；隔離電路包含信號隔離和電源隔離兩部分，實現控制器與收發器之間的完全電氣隔離。

傳統的CAN總線接口電路是由采用獨立的接口管理CPU、CAN控制器、收發器及隔離電路搭建，這種方法占用板面積大、接口邏輯復雜、成本高。本設計應用了ADI 公司最新發布的ADM3053 芯片，該芯片集成了CAN 收發器、信號隔離及供電隔離三部分功能，見圖1中虛線方框部分。應用ADM3053有以下優勢：

（1）功耗低體積小。采用了基于電磁隔離原理的iCouple信號隔離專利技術。功耗相當于同數據傳輸率下傳統光電隔離器的1/10.同時采用了基于高頻開關的芯片級變壓技術isoPower實現供電隔離。在CAN 協議控制器與物理層總線之間創建一個完全隔離的接口。使得元器件數量減少，節約電路空間，簡化了接口設計，降低了設計復雜度；

（2）性能更高。在時序精度、瞬態共模抑制力、通道間匹配性能均優于傳統光電隔離器；（3）產品成本更低。每個通道成本相當于傳統光電隔離器的40%.

1.2 ECAN模塊結構

ECAN的接口與結構電路如圖2所示。ECAN具有32位內部結構，包括協議內核（CPK）和消息控制器。

在協議內核CPK 收到一個來自總線的消息后，消息控制器中的接收控制單元確定是否把接收的消息存儲到32 個消息郵箱RAM 中的某一個中。接收控制單元要檢驗消息的狀態、標識符和消息對象的屏蔽來決定郵箱的位置。接收的消息經過濾波后存放到第一個郵箱中。如果接收控制單元不能找到任何一個存儲接收消息的郵箱，則消息被丟棄。

一個消息有11位或29為標識符、一個控制域和最多8個字節的數據構成。當要發送一個消息時，消息控制器把這個消息發送到CPK 的發送緩沖區中，以便在下一個總線空閑狀態時開始發送消息。當多于一個消息要被發送時，最高優先級的消息將被消息控制器發送到CPK中，如果兩個消息的優先級相同，則大序號的郵箱首先發送。

1.3 接口電路設計

本文使用的接口管理CPU 為TMS320F2812,使用其內部集成的ECAN模塊，因此只需要連接CAN總線收發器模塊和隔離器件即可實現CAN總線接口功能。

ECAN接口電路圖如圖3所示。

ADM3053的左側為邏輯端，邏輯端管腳接線如下：

（1）RXD 和TXD 分別接DSP 的ECANRX 和ECANTX引腳；

（2）VCC接邏輯端VCC（+5 V）電源；

（3）VIO接DSP的IO供電電壓VIO;

（4）GND管腳接邏輯端地線端GND_LOG.

ADM3053 的右側為總線端，總線端的管腳接線如下：

（1）CANH 和CANL 之間與CAN 物理總線相連，且確保總線兩端并聯120 Ω端接電阻；

（2）總線端電壓輸入VISOIN 接隔離電壓輸出VI-SOUT,并通過濾波電容接地；（3）CANH和CANL連接共模電感ACT45B-510-2P,濾除總線上的共模信號；

（4）CANH和CANL并聯TVS管PESD1CAN,作為瞬態抑制保護，防止總線上的瞬變干擾。

2 軟件設計

2.1 ECAN的存儲器映射ECAN的寄存器被映射到片內存儲器的外設幀1區域，CPU 用這些寄存對CAN 的消息對象進行配置和控制，控制和狀態寄存器只允許32 位存取。ECAN 提供了32個消息郵箱，每個郵箱可以配置為發送或接收郵箱。消息是一塊RAM 區域，映射到DSP 的RAM 存儲器，每個郵箱RAM 的地址分配如圖4 所示。消息郵箱用來存儲接收到的CAN消息或存放等待發送的CAN消息。當郵箱不用于存儲CAN 消息時，CPU 可以將消息郵箱RAM 空間當成通用存儲器使用。ECAN模塊寄存器和消息RAM空間如圖4所示。

2.2 通信軟件

2.2.1 系統初始化

ECAN模塊初始化在初始化模式下才能進行，初始化模式和正常操作模式之間的轉換時通過CAN網絡同步實現的，也就是說，CAN 控制器在改變模式之前，要檢測總線空閑狀態（等于11個接收位），如果產生支配總線錯誤，CAN控制器將不能檢測到總線空閑狀態，因此也不能完成模式切換。將CCR寄存器置1,使CAN模塊工作于初始化模式，而且只有CCE寄存器設置為1時，才能執行初始化操作。完成上述設置后，才能操作ECAN模塊配置寄存器。ECAN模塊的初始化流程如圖5所示。

2.2.2 消息發送

根據系統初始配置，將待發送的數據寫入ECAN模塊相應消息郵箱的數據區，這里需要注意數據字節順序DBO 寄存器的設置。當DBO=0 時，數據讀寫從CAN-MDL寄存器的最低有效位開始，到CANMDH 寄存器的最高有效位結束。當DBO=1 時，數據讀寫從CANMDL寄存器的最高有效位開始，到CANMDH 寄存器的最低有效位結束。置發送命令字CANTRS.n=1,啟動發送操作，ECAN模塊將自動置響應命令字CANTA.n=1.最后手動清發送命令字和響應命令字。消息發送流程如圖6所示。

2.2.3 消息接收

根據系統初始配置，ECAN模塊接收郵箱中接收到總線上的消息時，相應的接收消息等待寄存器CAN-RMP.n被置位，此時CPU應該核對消息丟棄標志寄存器RML.如果RML 為1,說明郵箱中的消息已被覆蓋，CPU可以選擇向源節點請求重發，本次接收流程結束。

當RML為0時，CPU可以從郵箱數據區讀取數據，同時清RMP.n,然后進入等待接收狀態（RMP=0,RML=0）。

消息接收流程如圖7所示。

2.2.4 過載處理

如果CPU 的速度不能快速地處理重要消息，出現消息過載情況，這種情況可以通過增加備份郵箱來解決，即配置多個相同標識符的郵箱。對于ECAN 模塊，每個消息對象有自己的屏蔽LAM（n）。為了保證不會丟失消息，將備份消息對象的覆蓋保護寄存器OPC 標志位置位，從而防止未讀取的消息被覆蓋。如果ECAN模塊需要存儲接收到的消息，則先查看備份郵箱，如果備份郵箱為空則存儲消息。如果備份郵箱的RMP標志被置位，說明消息未被讀取。由于備份郵箱數據無法被覆蓋，故將消息數據存儲在原始郵箱，此時產生的一個中斷可以用來讀取備份郵箱的重要數據。

本文設計的CAN智能總線接口模塊經物理環境下多節點收發測試，結果顯示硬件電路工作穩定，數據收發功能正常，總線電平特性和眼圖如圖8所示。

由圖8 可以看出總線信號（CANH,CANL）規整，差分后信號波形平滑，眼圖顯示接口通信品質良好。

3 結論

應用ADM3053 芯片可有效縮小電路板面積，符合小型化原則，可以有效降低CAN總線接口模塊的成本，具有廣闊的應用前景。