基于MCP2502X／05X的CAN總線節(jié)點設(shè)計

1 引言
    CAN總線以其成本低廉、通信實時性好、糾錯能力強等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、電力系統(tǒng)變電站自動化、智能大廈等系統(tǒng)。J1939協(xié)議是SEA于1998年提出的，主要應(yīng)用于運輸、農(nóng)林機車、船舶等大型交通工具。Microchip公司推出的MCP2502X／2505X CAN I/O系列擴展器可獨立作為CAN擴展節(jié)點，通過配置實現(xiàn)不同的CAN協(xié)議。本文以J1939為通信協(xié)議，基于該器件設(shè)計CAN擴展節(jié)點，方便實現(xiàn)汽車的前端測控功能，并且與整個車載CAN網(wǎng)絡(luò)相連。

2 MCP2502X／05X CAN I/O擴展器簡介
    MCP2502X/5X器件可作為CAN系統(tǒng)的I／O擴展器使用，支持CANV2．0B Active，可在原始數(shù)據(jù)與CAN報文之間進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，總線速率最大可達1 Mb／s。MCP2502X／5X器件具有多個外設(shè)，包括數(shù)字I／O、4通道10位A／D轉(zhuǎn)換器和能夠在引腳狀態(tài)變化時自動發(fā)送報文的PWM輸出，包括超過預(yù)設(shè)門限值的模擬輸入，提供1個屏蔽寄存器和2個接收過濾器，使得在設(shè)計系統(tǒng)時與器件響應(yīng)標(biāo)識符相關(guān)部分具有最大限度的靈活性。該器件也可配置為在任何時候發(fā)生一個或多個錯誤時，能夠自動發(fā)送唯一報文?？稍诜且资源鎯ζ髦袑ζ骷M行預(yù)編程，這樣器件在配置過程可默認(rèn)為特定配置。

3 擴展節(jié)點配置
    基于MCP2502X／5X的CAN網(wǎng)絡(luò)必須有一個具有CAN接口的CPU做為主節(jié)點，MCP2502X/05X只能作為擴展節(jié)點，通過配置完成工作。器件配置方法有兩種：預(yù)編程用戶寄存器和CAN報文在線配置。MCP2502X/05X器件的用戶E-PROM出廠時是空白的，所以在上電前要對其預(yù)編程，編程結(jié)果在上電復(fù)位后自配置為默認(rèn)配置。為了與主節(jié)點之間實現(xiàn)基于J1939協(xié)議通信，上電前先按J1939標(biāo)識符格式對CAN模塊寄存器預(yù)編程。對MCE2502X／05X器件的用戶寄存器預(yù)編程有三種方法，分別為用MPLAB IDE配套PROMATE II編程器；在線串行編程(ICSP)；根據(jù)ICSP的原理設(shè)計專門的編程電路，配合微芯公司的編程軟件MCP250XXProgrammer對器件預(yù)編程。這里采用第三種方法。
3．1 預(yù)編程用戶寄存器
3．1．1 預(yù)編程電路設(shè)計
    編程需要VDD(2．0～6．0 V)和VPP(12～14 V)兩個電源，如圖1所示。圖1中，通用開關(guān)穩(wěn)壓器LM78S40CN輸出可調(diào)的1．25～40 V的穩(wěn)定電壓產(chǎn)生所需的VPPPC機通過場效應(yīng)管MTSF2P02控制VPP和VDD的通斷，實現(xiàn)編程邏輯。

    圖2為編程數(shù)據(jù)、時鐘邏輯電路以及編程電路與PC機的接口電路。編程電路通過并口與PC機連接。在編程電路和PC機連接后，利用Microchip公司提供的具有形象圖形化界面的軟件(MCP250X X Programmer)方便對器件預(yù)編程。
3．1．2 預(yù)編程CAN相關(guān)寄存器
    預(yù)編程CAN相關(guān)寄存器就是實現(xiàn)不同CAN協(xié)議，并通過CAN報文配置和操作其他寄存器。MCP2502X／05X系列器件在實現(xiàn)對器件本身控制的前提下，用戶通過配置CAN模塊相關(guān)寄存器，并根據(jù)實際情況設(shè)計協(xié)議的具體內(nèi)容。擴展節(jié)點的CAN協(xié)議必須與主節(jié)點的CAN協(xié)議相匹配。該設(shè)計采用J1939協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)配置CAN模塊寄存器，由于CAN擴展節(jié)點與主節(jié)點之間要求點對點通信，所以采用PDU1格式，其29位標(biāo)識符各位的含義如圖3所示。

    圖3中，源地址的高5位可編程，低3位與擴展器硬件相關(guān)聯(lián)，用于實現(xiàn)特定的CAN命令，比如將報文源地址低3位寫“000”，讀取A/D轉(zhuǎn)換器的寄存器。PS(PDU格式)要小于240，其他各位由應(yīng)用層確定。按照協(xié)議標(biāo)識符格式寫配置寄存器。MCP2502X/5X器件包含3個獨立的發(fā)送報文ID：TX-ID0、TXID1和TXID2。
    配置相應(yīng)的寄存器預(yù)定義各種輸出報文中每一個報文的數(shù)據(jù)長度碼以及直接從器件外設(shè)寄存器輸入待發(fā)送數(shù)據(jù)。器件按照預(yù)定義格式發(fā)送報文。配置接收屏蔽寄存器來定義CAN ID與可編程過濾器相比較的位。在29位標(biāo)識符格式中，RXMEID0寄存器的EID2：EID0位設(shè)置為無關(guān)位。MCP2502X/5X定義2個獨立的接收過濾器：RXF0和RXF1。其中，RXF0用于信息請求報文，而RXF1用于輸入報文。按照預(yù)定標(biāo)識符格式對過濾器進行預(yù)編程配置，過濾器的每一位與CAN ID的位相對應(yīng)。為了接收報文，CAN ID中的每一位(相應(yīng)屏蔽位設(shè)置為1時)必須和對應(yīng)的過濾器位相匹配。忽略未滿足屏蔽/過濾條件的報文。同時擴展節(jié)點配置為自動發(fā)送模式，即當(dāng)采集輸入信號變化或經(jīng)一定時間間隔將自動發(fā)送信息。
3．2 用CAN報文配置擴展器
    由于配置寄存器通過CAN總線訪問，因此除了采用預(yù)編程配置擴展器外，通信建立后，主節(jié)點通過命令報文配置器件，也可在線修改已配置的寄存器。命令報文種類由源地址的低3位確定。

4 擴展節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
    圖4為擴展節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)，MCP2502X／05X器件通過CAN驅(qū)動器與CAN總線相連。圖5為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

    CAN總線本身是一種多主總線，理論上每個節(jié)點都可作為主節(jié)點，但基于MCP25132X／5X器件的CAN網(wǎng)絡(luò)中必須有一個具有CAN接口的CPU作為主節(jié)點，來執(zhí)行控制算法，并做出相應(yīng)控制決策。而擴展節(jié)點只能作為從節(jié)點。其他節(jié)點則通過主節(jié)點與對應(yīng)的從節(jié)點通信。

5 主節(jié)點軟件設(shè)計
    在主節(jié)點軟件設(shè)計過程中，將主節(jié)點和其對應(yīng)的擴展節(jié)點看成同一個ECU(電控單元)的不同CA(控制器應(yīng)用程序)，并且地址可仲裁，主節(jié)點與擴展節(jié)點之間點對點通信，總線上所有ECU都遵循J1939協(xié)議進行通信，其他ECU通過主節(jié)點訪問擴展節(jié)點。
    主節(jié)點軟件由主處理、接收處理和發(fā)送處理3部分構(gòu)成。其中，接收處理負(fù)責(zé)接收與本ECU地址相匹配的消息，并處理地址聲明消息和地址請求消息，將應(yīng)用消息填充到接收緩沖區(qū)；發(fā)送消息負(fù)責(zé)將發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線。圖6為主處理軟件流程。

6 結(jié)論
    基于MCP2502X／05X器件設(shè)計CAN擴展節(jié)點無需大量編程，只需配置相關(guān)寄存器，連接簡單電路就能實現(xiàn)與主節(jié)點的通信。在無需微控制器下擴展一個CAN節(jié)點，用戶自行設(shè)置協(xié)議內(nèi)容，非常靈活，其豐富的外設(shè)滿足一般測控需要。將MCP2502X／05X器件與J1939協(xié)議相結(jié)合，可方便設(shè)計汽車的前端測控模塊，并與整個車載CAN網(wǎng)絡(luò)相連。這種設(shè)計方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本降低、提高信號傳輸?shù)目煽啃?，在車載CAN網(wǎng)絡(luò)，尤其是前端測控模塊中具有廣泛的應(yīng)用前景。