基于CAN的程序下載器與通訊調試器設計

在電子產品的各種通訊方式中，CAN（Controller Area Network）總線以其高可靠性、實時性、傳輸距離遠的特點得到廣泛的應用，已經成為許多高檔汽車（如奔馳、寶馬等）車電系統的總線標準。于是出現了許多內部集成CAN控制器的單片機，如Atmel公司的T89C51CC0X系列單片機就是其中性價比較高的一款，它具有豐富的內部資源，支持CAN方式的在線編程。我們在使用此系列產品的過程中，針對其應用普遍但編程器較少的特點，開發了一款基于T89C51CC01CA芯片的CAN程序下載和CAN節點調試器，它既能對同類單片機進行編程，又能通過CAN總線對具有CAN通訊功能的設備進行調試。
2．?系統結構框圖
2.1? 系統原理框圖。如圖1所示，PC機通過高速的USB方式或低速的UART方式連接到下載調試器上，下載調試器將PC的消息封裝成CAN命令幀的形式轉發，完成下載功能或CAN節點調試功能。
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2.2? 調試器框圖。如圖1所示，當使用CAN調試器功能時，在CAN總線上可以掛接多個設備。CAN調試器作為一個智能終端，參與總線的運行。
2.3下載器原理框圖。如圖2所示，當使用下載器功能時，用戶可以選擇CAN下載方式或串口下載方式，但為了保證下載的正確性，每次只允許連接一個從設備。
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圖2：下載器原理框圖
3．?下載調試器硬件及框圖
下載調試器連接PC機和CAN總線上的節點，完成數據流格式的轉換，并且利用內部的RAM空間對上/下行數據流的速度進行緩沖匹配。整個硬件主要分成四個部分：主控器件、通訊轉換芯片、功能控制部分和電源部分。硬件框圖和電路圖分別為圖3和圖4。
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3．1 主控器件
主控芯片為Atmel公司的T89C51CC01芯片，該芯片采用51內核技術，與其它單片機相比具有很多的優勢：
??豐富的內部資源： 32Kbytes 片內Flash、 256bytes片內RAM、 1Kbytes片內XRAM、2Kbytes片內EEPROM、2Kbytes片內程序引導區、八通道10位AD等。
??內部集成完全支持V2.0A/V2.0B標準的CAN控制器，該控制器具有15個獨立的郵箱，每個郵箱具有多種工作模式。消息的接收、發送、校驗過程完全通過硬件來完成，不需要用戶的干預。
??片內程序引導區支持ISP（In-Systerm Programming）和IAP（In-Application Programming）功能，使程序下載變得非常容易。
3．2 通訊轉換芯片
下載調試器與PC機的接口芯片為PL2303，它完全支持USB協議V1.1，能夠自動完成USB數據格式和UART數據格式間的轉換。并且為了匹配兩種方式的速度，該芯片分別為上傳和下傳的數據流配置了256字節的RAM。CAN總線的驅動芯片為ATA6660，它將TTL電平轉換為差分信號輸出，在通訊距離達到10km時，傳輸速率仍可達到50kbit/s。
3．3 控制電路
控制電路主要有三個功能：下載器功能或調試器功能選擇，串口下載方式或CAN下載方式選擇，硬件復位條件控制。???????????
4．?編程器功能
4．1 編程對象
編程器的主要服務對象為一系列支持CAN下載或串口下載的器件，如T89C51CC01/02/03等。T89C51CC01在保留51系列并行下載方式的基礎上，又擴展了串口UART或CAN 的ISP（在線）下載方式。 T89C51CC01有兩個系列，T89C51CC01UA芯片的程序引導區在生產時固化了UART引導程序，支持UART方式的在線下載功能；T89C51CC01CA芯片的程序引導區固化了CAN引導程序，支持CAN總線方式的在線下載功能。本文以CAN下載方式為例介紹下載原理。為了表達的方便，將用戶的PC機稱為主機，被編程的器件稱為從機。
4．2? T89C51CC01CA芯片的程序引導區
T89C51CC01CA芯片內部有2Kbytes的程序引導區，分成3個部分：ISP通訊管理、函數調用管理、Flash存儲器管理。“ISP通訊管理”部分管理從機引導程序區和編程器間的通訊，對編程器的串行數據流進行解釋并轉換為對從機Flash存儲器的訪問；“函數調用管理”為IAP提供各種函數；“Flash存儲器管理”執行對從機Flash存儲器底層的讀、寫操作。
4．3 編程流程
從機中固化的驅動程序遵守CAN2.0A標準幀協議格式，數據幀的11位標識符用來對目標器件和目標器件的寄存器尋址。因此將標識符的高8位作為基地址，用來區分不同的器件；將標識符的低3位作為偏移地址，用來代表不同的命令。編程器首先發送偏移地址為0的數據幀，進行通訊初始；接著編程器發送偏移地址為1的數據幀，選擇編程區域（Flash或EEPROM），并設置編程的起始和結束位置；從機發回應答消息后，編程器通過偏移地址為2的數據幀連續發送編程數據；一個數據塊發送完畢后，編程器繼續選擇需要編程的區域，直到完成整個寫數據任務；此后編程器發送偏移地址為3的數據幀讀取從機Flash或EEPROM中的數據，完成數據校驗的任務。編程器也可以發送偏移地址為4或5的數據幀對一些配置字節進行修改。下載的流程圖如圖5：
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??? 編程器使用FLIP軟件，這個軟件可以從Atmel公司的網站上免費獲得。
5．CAN調試器功能
本設計的另一個重要功能是作為調試器使用，對具有CAN功能的節點進行通訊調試。主機通過高速的USB口與調試器通訊，調試器將主機的數據流封裝成具有CAN2.0A或CAN2.0B格式的命令幀，再由CAN控制器發送到總線上；而接收到的報文經過相反的數據轉換過程傳回到主機上。
主機的CAN調試界面用VB程序編寫的，分通用功能界面（圖6）和面向應用的CAN總線調試界面（圖7）兩個部分。兩種功能的側重點不同，前一種主要用于節點的初期調試，重點在于實現節點間的通訊連接和節點狀態測試；后一種用于實現具體的任務，重點在于節點間任務分配和全局時序響應。兩個部分在功能上相互補充，滿足不同層次的需要。
5．1?? CAN總線調試器的通用功能界面設計
??? CAN總線調試器的通用功能用來監測總線的狀態、測試新的命令和接收不同節點的消息幀。例如當CAN總線上加入新的節點或總線出現故障時，可以用這種方式進行調試。如圖7所示，用戶根據具體的應用要求任意設置CAN的幀結構中的仲裁域、控制域和數據域中的所有位的值，發送各種命令幀；也可以加入報文過濾器，有選擇的接收相關的消息幀。
此種方式的主要功能為：
??改變IDE位的值，選擇發送標準幀或擴展幀；
??改變仲裁域中基本ID和擴展ID的值，將命令幀發送到CAN總線上的不同節點；
??修改RTR位的值，選擇發送數據幀或遠程幀；
??改變數據長度，發送不同長度的數據幀；
??改變通訊速率，測試通訊的可靠性，尋求速率和距離的最優解決方案；
??改變報文過濾器的值，接收特定ID范圍內的消息幀，并實時顯示；
??顯示各種狀態值，對總線的健康狀態進行評估；
??將接收到的消息幀保存在用戶指定的文件中，方便對數據的后期的分析處理；?
5．2? 面向應用的CAN總線調試器界面設計
該方式面向用戶的實際工程，根據任務的要求為CAN的幀結構中的各種域賦予明確的意義，例如ID碼中就可以包含優先級、源器件地址和目標器件地址等。這種方式的重點是系統級任務的實現，因此將調試器作為總線上的智能節點，既能接收其它節點的報文，又能對其它節點發出命令，從而完全具備實際節點的所有功能，滿足整個系統的時序要求。
如圖8所示，為了使界面具有很好的可讀性，將復雜的CAN消息的數字表達方式文字化，即用戶對命令或報文過濾器內容設置完成后，可以為命令或報文過濾器指定一個名字。各種報文的發送和接收都以用戶定義的文字來表示，程序自動在文字與CAN的幀結構間轉換，從而具有很好的可讀性。這種方式下的特點為：???
??系統配置文件的管理。每個工程的命令幀、報文過濾器的設置和接收的數據被保存在獨立的配置文件中，通過“文件”菜單可以打開、保存和關閉工程的配置文件，而且可以在編輯當前工程配置文件的基礎上生成新工程的配置文件，簡化新工程的開發步驟。
??命令管理。在“發送命令”區顯示了已經定義的命令，這些命令都以用戶定義的名字表示，可以通過命令按鈕添加、修改、刪除命令，進行命令的后期維護。
??報文過濾。在“接收設置”區顯示了用戶可以接收的報文的ID，這些ID范圍之外的報文將被屏蔽。通過命令按鈕可以添加、修改、刪除ID，并且在設置接收過濾的時候，可以指定接到報文后系統自動回復的消息內容，增加了軟件的靈活性。
6．?結束語
本設計將編程器和CAN總線調試器集成到同一個器件中，開發了相應的操作軟件，提高了器件的使用范圍和方便性。隨著CAN總線的廣泛應用，以及CAN下載方式的推廣，這項技術也將得到進一步推廣。