CAN总线接口优化设计与质量能力提升

CAN总线接口优化设计与质量能力提升

郭海波  纪昌  陈伟杰

天津航空机电有限公司   天津   300308引言

由于CAN总线的诸多优点，总线通信使用CAN总线的场景日益增多，致使处理器自带的CAN接口数量已不满足实际需求。对处理器进行CAN接口扩展的成为一种趋势，主要思路是利用处理器的空闲硬件资源，与外部CAN控制器进行通信，从而达到CAN接口扩展的目的。目前工程应用中，MCP2515作为外扩的CAN总线控制器，使用SPI串行总线通信实现对CAN接口的扩展。

1.MCP2515介绍

1.1.芯片功能

Microchip推出的MCP2515，是一款完全支持CANV2.0B技术规范的CAN控制器,可通过SPI方式与处理器通信,实现CAN接口扩展，CAN总线最高通信速率可达到1Mbps。MCP2515能够接收和发送标准数据帧和扩展数据帧以及远程帧,通过两个接收屏蔽寄存器和六个接收过滤寄存器滤除无关报文,从而减轻处理的运行负担。MCP2515主要功能参数及电气特性如下：

1)支持CAN技术规范2.0A/B,最高传输速率达到1Mbps;

2)支持标准数据帧、扩展数据帧和远程帧，每帧数据长度可为0~8个字节;

3)内含两个接收缓冲器和三个发送缓冲器，并且可编程设定优先级;

4)内含六个29位(bit)的接收过滤寄存器和两个29位(bit)的接收屏蔽寄存器;

5)高速SPI接口，接口时钟频率最高可达10 MHz支持SPI 0,0和1,1模式;

6)工作温度范围：- 40℃到+125℃。

1.2.内部结构和工作原理

MCP2515内部主要由三个模块组成：CAN协议模块，主要包括CAN协议驱动、屏蔽器、过滤器、以及发送和接收缓冲器，主要负责与CAN总线的数据传输；控制逻辑和静态寄存器，用于设置芯片及其操作模式；SPI接口模块，主要负责与MCU的数据传输。其工作原理如图1所示。

图1MCP2515内部结构和工作原理

MCP2515在CAN总线上的数据接收是通过2个接收缓冲器、2个接收屏蔽器、6个接收过滤器的组合来实现的。CAN总线数据帧只有同时满足至少任意1个接收屏蔽器和1个接收过滤器的条件才可以进入接收缓冲器。MCP2515有8个中断源，包括发送、接收中断,各种错误中断以及总线唤醒中断等。处理器可以通过对MCP2515的中断允许控制寄存器CANINTE的设置来设定和屏蔽各种中断的发生条件，并可以通过读取MCP2515的中断标志位寄存器CANINTF或者通过MCP2515的ReadStatus(读状态寄存器)命令读取CANSTAT寄存器中的I-COD部分来判断当前中断的中断源。

1.3.MCP2515的SPI接口

处理器通过SPI接口可以读取接收缓冲器数据。MCP2515对CAN总线的数据发送则没有限制,只要用处理器通过SPI接口将待发送的数据写入MCP2515的发送缓存器,然后再调用RTS(发送请求)命令即可将数据发送到CAN总线上。在时钟SCK的上升沿,命令和数据通过SI引脚送入MCP2515。在时钟SCK的下降沿,通过SO引脚把数据送出。操作中片选引脚CS保持低电平。

1.4.SPI接口操作指令

处理器数据和命令通过SPI接口SI引脚传送到MCP2515中，且数据在SCK时钟信号的上升沿传送进去。MCP2515在SCK的下降沿通过SO引脚传送出去。在进行任何操作时，CS引脚都必须保持为低电平。在MCP2515操作指令中，最常用的是读操作、写操作2种指令。

1.5读/写操作

将CS引脚拉低后，向MCP2515依次发送读指令和8位地址码，MCP2515会将指定地址寄存器中的数据通过SO引脚移出。每一数据字节移出后，器件内部的地址指针将自动加一以指向下一个地址。因此，通过持续提供时钟脉冲，可以对下一个连续地址寄存器进行读操作。通过该方法可以顺序读取任意个连续地址寄存器中的数据。通过拉高CS引脚电平可以结束读操作。将CS引脚拉低后，向MCP2515依次发送写指令、地址码和至少一个字节的数据。

2.MCP2515初始化配置

MCP2515上电之后，需要处理器通过SPI接口对MCP2515进行配置。

2.1.复位

MCP2515上电时自动复位，但手册中建议在初始化之前进行复位操作，可通过两种方法进行复位：1）硬件复位：拉低RESET引脚；2）软件复位：执行SPI复位指令。MCP2515复位之后会进入配置模式，在配置模式下才能对MCP2515进行波特率配置、滤波配置。

2.2.波特率配置

CAN在通信时，总线上的波特率必须保持一致，MCP2515使用数字锁相环DPLL，将每个位时间分解成由最小时间周期组成的多个段，这个最小时间周期称为时间量(TQ)，改变CNF1、CNF2、CNF3寄存器，可以达到设定波特率的目的，其中Normal Bit Rate为通用比特率，以下简称NBR。

2.3.接收配置

如果MCP

2515使能了接收中断，当接收到有效的CAN总线数据，MCP2515的INT引脚会输出低电平，此时处理器可以判断出MCP2515已经缓存了总线数据，并且可以及时的从MCP2515中读取CAN数据。如果MCP2515没有使能接收中断，处理器只能采用轮询的方式，定时读取MCP2515接收缓冲器，这样会导致处理器无法及时接收MCP2515缓存数据，从而大幅度增加产品的响应时间，影响产品可靠性。甚至导致MCP2515接收缓存寄存器溢出，影响MCP2515功能。

2.4.滤波器设置

MCP2515 具有两个接收缓冲器，分别为RXB0和RXB1。RXB0接收缓冲器有2个验收滤波器RXF0和RXF1，以及1个屏蔽滤波器RXM0；RXB1接收缓冲器有4个验收滤波器RXF2~RXF5，以及1个屏蔽滤波器RXM1。

滤波和屏蔽寄存器用于确定滤波器对CANID中的哪些位进行校验。真值表，显示了标识符中的每一位是如何与验收屏蔽器（RXM）和滤波器（RXF）进行比较，以确定该报文是否应被载入接收缓冲器。屏蔽寄存器主要确定对标识符中的哪些位进行滤波。如果某屏蔽位设置为零，对应的标识符位将被自动接收而不进行滤波。

2.4.中断配置

MCP2515有8个中断源，8个中断源分别为3个发送中断，2个接收中断，1个消息错误中断，1个总线活动中断，一个错误中断。CANINTE寄存器包含了使能各中断源的中断使能位。当发生中断时，INT 引脚将输出低电平，并保持低电平状态直至处理器清除中断。为及时接收CAN总线数据，需要将接收中断开启；同时，为实时反馈CAN总线上的错误情况，需要将错误中断使能；实际使用中，可以配置INT引脚对应的处理器引脚为外部中断，在触发后读取CANINTF寄存器查询当前中断源，再进行进一步处理。

2.5.配置为正常模式

MCP2515复位之后会处于配置模式，在该模式下可以配置CAN总线的波特率、屏蔽寄存器和滤波寄存器。正常模式为MCP2515 的标准工作模式。处于此模式下，MCP2515会主动监视总线上的所有数据，并产生确认位和错误帧等。只有在正常模式下，MCP2515才能在CAN总线上进行数据的传输。

3.总线数据接收

在2.4小节中断配置当中，开启了接收中断。因此当MCP2515接收到有效的CAN数据，MCP2515的INT引脚会输出低电平信号，此时处理器便可以进行读取总线数据。

4.总线数据发送

总线数据发送前需要配置好标准和扩展标识符、8个数据字节以及数据长度。以发送一包扩展帧为例，帧数据包中含有8个数据字节。需要配置的寄存器分别为TXBnSIDH(标识符bit21~bit28)、TXBnSIDL(标识符bit16~bit20)、TXBnEID8(标识符bit8~bit15)、TXB0EID0 (标识符bit0~bit7)，TXBnDLC(数据长度)、TXBnD0~ TXBnD7(数据字节1~数据字节8)，在写入发送缓冲器之前，必须将TXREQ 位清零，表明发送缓冲器无等待发送的报文。之后处理器将TXREQ位置1，可以启动发送缓冲器的CAN数据发送。

5.结论

本文详细描述了基于MCP2515扩展CAN接口的软件设计方法，配置MCP2515的总线波特率为500K，扩展帧，数据长度为8个字节，通信持续25分钟。通过CAN分析仪表明，总线数据未出现丢包，总线上未出现错误帧，MCP2515没有出现接收缓存溢出，能够满足实际的外扩CAN接口的功能需求。

基于试验结果，MCP2515的软件设计方法可以为CAN接口资源紧张的处理器提供解决方法，为硬件电路设计提供了一种总线备选方案。

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