基于J1939協(xié)議和擴(kuò)展器件實(shí)現(xiàn)CAN擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

1 、引言

CAN總線以其成本低廉、通信實(shí)時(shí)性好、糾錯(cuò)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、電力系統(tǒng)變電站自動(dòng)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(yùn)輸、農(nóng)林機(jī)車、船舶等大型交通工具。Microchip公司推出的MCP2502X／2505X CAN I/O系列擴(kuò)展器可獨(dú)立作為CAN擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)，通過配置實(shí)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(jì)CAN擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)，方便實(shí)現(xiàn)汽車的前端測控功能，并且與整個(gè)車載CAN網(wǎng)絡(luò)相連。

2、 MCP2502X／05X CAN I/O擴(kuò)展器簡介

MCP2502X/5X器件可作為CAN系統(tǒng)的I／O擴(kuò)展器使用，支持CANV2．0B Active，可在原始數(shù)據(jù)與CAN報(bào)文之間進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，總線速率最大可達(dá)1 Mb／s。MCP2502X／5X器件具有多個(gè)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(shí)自動(dòng)發(fā)送報(bào)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(gè)屏蔽寄存器和2個(gè)接收過濾器，使得在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)與器件響應(yīng)標(biāo)識(shí)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(shí)候發(fā)生一個(gè)或多個(gè)錯(cuò)誤時(shí)，能夠自動(dòng)發(fā)送唯一報(bào)文?？稍诜且资源鎯?chǔ)器中對(duì)器件進(jìn)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(kuò)展節(jié)點(diǎn)配置

基于MCP2502X／5X的CAN網(wǎng)絡(luò)必須有一個(gè)具有CAN接口的CPU做為主節(jié)點(diǎn)，MCP2502X/05X只能作為擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)，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(bào)文在線配置。MCP2502X/05X器件的用戶E-PROM出廠時(shí)是空白的，所以在上電前要對(duì)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(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)基于J1939協(xié)議通信，上電前先按J1939標(biāo)識(shí)符格式對(duì)CAN模塊寄存器預(yù)編程。對(duì)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(jì)專門的編程電路，配合微芯公司的編程軟件MCP250XXProgrammer對(duì)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(jì)

編程需要VDD（2．0～6．0 V）和VPP（12～14 V）兩個(gè)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(jī)通過場效應(yīng)管MTSF2P02控制VPP和VDD的通斷，實(shí)現(xiàn)編程邏輯。

圖2為編程數(shù)據(jù)、時(shí)鐘邏輯電路以及編程電路與PC機(jī)的接口電路。編程電路通過并口與PC機(jī)連接。在編程電路和PC機(jī)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(duì)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(shí)現(xiàn)不同CAN協(xié)議，并通過CAN報(bào)文配置和操作其他寄存器。MCP2502X／05X系列器件在實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)際情況設(shè)計(jì)協(xié)議的具體內(nèi)容。擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)的CAN協(xié)議必須與主節(jié)點(diǎn)的CAN協(xié)議相匹配。該設(shè)計(jì)采用J1939協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)配置CAN模塊寄存器，由于CAN擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)之間要求點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，所以采用PDU1格式，其29位標(biāo)識(shí)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(kuò)展器硬件相關(guān)聯(lián)，用于實(shí)現(xiàn)特定的CAN命令，比如將報(bào)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(shí)符格式寫配置寄存器。MCP2502X/5X器件包含3個(gè)獨(dú)立的發(fā)送報(bào)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(bào)文中每一個(gè)報(bào)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(bào)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(shí)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(gè)獨(dú)立的接收過濾器：RXF0和RXF1。其中，RXF0用于信息請(qǐng)求報(bào)文，而RXF1用于輸入報(bào)文。按照預(yù)定標(biāo)識(shí)符格式對(duì)過濾器進(jìn)行預(yù)編程配置，過濾器的每一位與CAN ID的位相對(duì)應(yīng)。為了接收?qǐng)?bào)文，CAN ID中的每一位（相應(yīng)屏蔽位設(shè)置為1時(shí)）必須和對(duì)應(yīng)的過濾器位相匹配。忽略未滿足屏蔽/過濾條件的報(bào)文。同時(shí)擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)配置為自動(dòng)發(fā)送模式，即當(dāng)采集輸入信號(hào)變化或經(jīng)一定時(shí)間間隔將自動(dòng)發(fā)送信息。

3．2 用CAN報(bào)文配置擴(kuò)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(kuò)展器外，通信建立后，主節(jié)點(diǎn)通過命令報(bào)文配置器件，也可在線修改已配置的寄存器。命令報(bào)文種類由源地址的低3位確定。

4 、擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖4為擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)，MCP2502X／05X器件通過CAN驅(qū)動(dòng)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(gè)節(jié)點(diǎn)都可作為主節(jié)點(diǎn)，但基于MCP25132X／5X器件的CAN網(wǎng)絡(luò)中必須有一個(gè)具有CAN接口的CPU作為主節(jié)點(diǎn)，來執(zhí)行控制算法，并做出相應(yīng)控制決策。而擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)只能作為從節(jié)點(diǎn)。其他節(jié)點(diǎn)則通過主節(jié)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的從節(jié)點(diǎn)通信。

5 、主節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

在主節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)過程中，將主節(jié)點(diǎn)和其對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)看成同一個(gè)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(diǎn)與擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，總線上所有ECU都遵循J1939協(xié)議進(jìn)行通信，其他ECU通過主節(jié)點(diǎn)訪問擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)。

主節(jié)點(diǎn)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(qǐng)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(jì)CAN擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)與主節(jié)點(diǎn)的通信。在無需微控制器下擴(kuò)展一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)，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(jì)汽車的前端測控模塊，并與整個(gè)車載CAN網(wǎng)絡(luò)相連。這種設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本降低、提高信號(hào)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。

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