基于CAN的程序下载器与通讯调试器设计

2011-03-03 10:43:08来源: 互联网

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。
 


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。
 
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。
 


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:
 



    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
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。

关键字:通讯  设计

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0303/article_5302.html
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