基于TMS320LF2407的CAN通讯电路设计

摘要：该文首先对CAN总线进行了介绍，接着对TI公司TMS320LF2407型数字信号处理器（DSP）的功能和特点做了简单的介绍，设计了基于TMS320LF2407A CAN通信接口，并提出了研究了在强电磁干扰环境下，DSP控制系统的抗干扰措施和方法以及在设计DSP控制板的印刷电路板时使用到的抗干扰技术。

关键词：CAN；DSP；抗干扰

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2010)20-5628-02

现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。CAN全称是Controller Area Network，即控制器局域网，它是当今国际上应用很广泛的一种现场总线（Field bus），作为一种串行通信总线，它最初被使用在汽车工业中的微控制器通信领域，由于它具有高可靠性和独特的设计、且具有很高的实时性，现在CAN总线已经在汽车工业、航天工业等领域的控制系统中得到了越来越广泛的应用，是国际标准（ISO）的现场总线，被认为是目前最有前途的现场总之一。

1 CAN总线技术概述

20世纪80年代初，CAN是德国 BOSCH 公司为解决现代汽车中的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种数据通讯协议，按照 ISO 有关标准，CAN 的拓扑结构为总线式，因此也称为 CAN 总线。CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信局域网络。由于CAN具有独特的设计思想，良好的功能特性和极高的可靠性，现场抗干扰能力强，为工业控制系统中高可靠性的数据传输提供了一种新的解决方案。其在国内外工业测控领域已经有了广泛的应用，CAN总线已经成为最有发展前途的现场总线之一。

2 TMS320LF2407A的介绍

在诸多DSP生产商中，其市场份额最大的当属美国德州仪器公司(简称TI公司)。 TI将常用的DSP芯片归纳为三大系列，即：TMS320C2000系列、5000系列6000系列。而TMS320C2000系列又以作控制著称，而TI公司推出高性能16位数字信号处理器TMS320LF2407是定点DSP C2000系列中的一员，专门为电机、电源控制数字化优化而设计的,特别适合于电源的高性能控制。它集C2xx内核增强型 TMS320 设计结构及适用于电机控制的低功耗、高性能、优化外围电路于一体，CPU 内部采用增强型哈佛结构，四级流线作业，几乎每条指令可在25ns(40MIPS)完成，与其他的DSP芯片相比，其性价比更好，构成控制系统的体积大大减小。

3 TMS320LF2407A中CAN控制器介绍

DSP内的CAN控制器是一个16位的外设模块，完全支持CAN2.0B协议，因此是一个完整的CAN控制器。具有以下特性：

1) 完全支持CAN2.0B协议：标准和扩展标识符,数据帧和远程帧。2) 提供6个数据长度为0～8个字节的邮箱给对象，分别是2个接收邮箱（MBOX0、1）；2个发送邮箱（MBOX4、5）；2个可配置为接收或发送的邮箱（MBOX2、3）。3) 针对邮箱0、1和2、3有局部接收屏蔽寄存器（LAMn）。4) 可编程比特率。5) 可编程中断配置。6) 可编程的CAN总线唤醒功能。7) 自动回复远程请求。8) 当发送出现错误或仲裁丢失数据时能自动重发。9) 总线错误诊断功能：包括总线的开放与关闭；正极性还是负极性错误；总线错误警告。10) 自测试模式：CAN控制器工作在循环模式；接收自己发送的信息并且产生自应答信号。11) 两引脚通信：CAN模块使用两个引脚来通信，即CANTX和CANRX，两个引脚连接到CAN收发器芯片上，CAN收发器芯片连接到CAN总线。如图1所示为CAN控制器的基本结构。

4 CAN通信电路设计

采用CAN总线技术，可以满足实际现场中复杂环境的要求。TMS320LF2407A内带CAN控制器模块，采用该处理器使整个电路的外围设计简单化，可靠性也得到提高。CAN总线系统较传统的串行通信，在硬件上减少了走线，易于系统的改型或扩充。虽然TMS320LF2407A内带CAN控制器模块，但要实现CAN通信，还必须选择一款与之相匹配的高性能收发器。本课题选用的是PHILIPS的TJA1050 ，它是控制器区域网络(CAN)协议控制器和物理总线之间的接口。可以为总线提供差动发送性能，为CAN控制器提供差动接收性能。如图2所示为TJA1050方框图。

TJA1050 是PCA82C250和PCA82C251高速CAN收发器的后继产品。它的优点在于：完全符合ISO 11898 标准；速率高，最高达1Mbit/s；输出信号CANH和CANL的最佳匹配，使电磁辐射更低；抗电磁干扰（EMI）性高；节点未供电时，不会对总线造成扰动；输入级和3.3V 以及5V 的器件兼容；至少可以连接110个节点。这就使得TJA1050特别适合与DSP内带CAN控制器模块配合使用。

虽然DSP内部的控制器和外部收发器都具有很强的抗干扰能力，但他们之间的连接便是最薄弱的环节，而在实际工作环境下有时难免遇到很强的电磁干扰，为了提高通信抗干扰能力，避免干扰的窜入，对CAN通信方案做了如下几方面设计：

第一采用高速光耦来实现收发器与控制器之间的电气隔离，保护控制系统，电路光耦选择高速器件TLP113A，以满足在最高速率1Mbps 下的电气响应，CAN接口电路如图3所示。

图中J1是跳线叉子，通过跳线的方式可以选择是否接入终端电阻R8，一般选择在差动式网络的两端设有终端电阻，它的作用是避免数据传输终了时反射回来，产生反射波破坏数据传输。一般网络覆盖系统受到干扰后会造成数据误用，干扰严重时还能导致整个系统功能异常。DSP的C_CANRX和C_CANTX端口先通过高速光隔TLP113再与TJA1050连接，实现总线上各节点之间的电气隔离。与TLP113相连的信号C＿CANTX和C＿CANRX是5V信号，不能直接与DSP连接，必须先进行电平转换。

其次，为了保证系统能够可靠工作，并提高抗干扰能力，普通电源与数字电源不能公用，电路中采用隔离型DC/DC 模块向收发器电路供电。推荐采用定电压输入隔离稳压单输出型DC/DC 模块，本课题中使用的是金升阳的B0505LS-1W ，可以向收发器电路提供≤200mA 的电流，DC/DC电路如图4所示。

图中V1和G1分别DC/DC 模块是为高速光隔TLP113提供隔离后的5V和地。

5 硬件设计中的抗干扰措施

DSP作为控制器，经常工作在强干扰环境下，这会影响到控制系统的正常工作，其影响表现在以下几个方面：

1) 在采集通道中窜入干扰信号，导致采集的数据误差增大，甚至淹没有用的信号，使采样数据不能真实的反映实际情况。

2) 输入信号在受到干扰的情况使得控制系统接受到虚假的信号，导致控制系统不能正常工作。

3) 当干扰影响到DSP时，会出现程序跑飞的现象。

鉴于以上原因，在控制系统设计中如何提高系统的抗干扰能力，尽量减小电路干扰影响就显得特别重要。根据干扰来源可分为内部干扰和外部干扰，针对干扰源和干扰的传输通道从硬件和软件两个方面采取了相应的措施。在这里主要介绍一下在硬件上采取的抗干扰措施。

1) 实践证明电源对控制系统来说就是一个比较严重的干扰源，控制系统的大部分干扰都是通过电源耦合进来的。由于控制板的供电电源和主回路是同一个供电系统，噪声很容易引入控制系统中，所以在设计时采用了分立的稳压模块来为控制板供电，大大提高了供电的可靠性，而且分立的稳压模块本身的滤波作用也可以提高抗干扰能力。

2) 要将检测到的电压、电流信号送入控制系统中，必须对信号的传输途径采取一定的抗干扰措施。在电源电压、电流的检测采用了霍尔传感器，这本身就具有较好的抗干扰性；其次，对检测采样通道采取了滤波和隔离的手段，也有效的抑制了噪声的干扰。

3) 对电磁场的空间干扰采取了一定的屏蔽措施，首先将控制电路与主回路分隔开，并且用金属盒封闭起来，也就屏蔽了控制系统受到外来的干扰。

4) 在制作控制系统PCB板过程中采取了以下措施：① 应该将未用到的DSP引脚固定到某个电平，特别是能产生中断请求的引脚不能悬空。② 数字电路和模拟电路的地不能混合，必须将数/模地分开，否则数字电路产生噪声会带入到模拟信号中。但对于一个系统而言无论数字还是模拟地只有一个，所以最后通过磁珠将数字地和模拟地连在一起来。③ 为DSP供电的电源芯片应尽量选取纹波较低的芯片，并且要在芯片的输入输出端加滤波网络，以减少电源噪声对系统的影响。④ 布置片外数据存储器和程序存储器时应尽量靠近DSP芯片，它们的存取速率也要与DSP相仿，同时要布局也要合理，数据线和地址线的长短尽量一致。存储器的周围建议布上地网。⑤ 在布线时，将数据线和地址线等重要信号线远离易受干扰的信号线，例如模拟信号线等。为了减小传输线对信号质量的影响，高速信号走线应尽量短。

参考文献：

[1] TMS320LF240X DSP CONTROLLER.PDF[EB/OL].

[2] 刘和平.TMS320LF240X DSP 结构、原理及应用[M].北京:北京航空航天大出版社,2002.

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