獨立CAN芯片方案在汽車工程中的應(yīng)用

【摘" 要】文章提出一種采用獨立CAN協(xié)議控制芯片+通用型單片機的硬件方案，不僅增加汽車芯片的選型范圍，也可起到降低汽車控制器成本的目的。

【關(guān)鍵詞】單片機;CAN;汽車芯片

中圖分類號：U463.6" " 文獻標(biāo)識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）06-0042-02

Application of Independent CAN Chip Scheme in Automotive Engineering

SUN Ruitao

（SAIC GM Wuling Automobile Co.，Ltd.，Liuzhou 545007，China）

【Abstract】This paper proposes a hardware scheme that adopts independent CAN protocol control chip+universal single-chip microcomputer，which not only increases the selection range of automobile chip，but also reduces the cost of automobile controller.

【Key words】single-chip;CAN;vehicle chip

作者簡介

孫瑞濤（1986—），男，研究方向為鋰離子動力電池系統(tǒng)、大型儲能系統(tǒng)、充配電系統(tǒng)、電動車換電站、充電站運營等。

1" 引言

CAN通信在車輛上應(yīng)用越來越多，現(xiàn)在基本成了標(biāo)配[1-4]。CAN的協(xié)議控制器直接集成在單片機中，這給CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的軟件和硬件設(shè)計帶來了方便，是設(shè)計員優(yōu)選方案，但集成CAN口的單片機可選的種類少，且出貨量相比通用型單片機來說太少，故價格較高。如果采用獨立的CAN協(xié)議控制器+通用型單片機的硬件方案，則比帶CAN口單片機的方案降低至少50%的成本，使用的CAN節(jié)點數(shù)量越多，節(jié)約的成本就越多。

另外，對于一些已有的正在應(yīng)用的成熟可靠的但不帶CAN功能的單片機控制系統(tǒng)需要接入CAN網(wǎng)絡(luò)時，在原來的硬件基礎(chǔ)上增加CAN協(xié)議控制芯片和CAN收發(fā)器芯片即可完成硬件功能改造。在原來的軟件框架基礎(chǔ)上增加CAN通信控制軟件模塊完成軟件功能改造，一個完整的CAN節(jié)點即可改造完成。這種軟硬件的改造都是在原來的構(gòu)架上的小改動，不需要傷筋動骨，節(jié)省了開發(fā)成本和時間，并提升了開發(fā)品質(zhì)。

然而，采用獨立的CAN協(xié)議控制芯片的工程方案也有很明顯的缺點：①通信軟件的編寫相當(dāng)麻煩復(fù)雜;②數(shù)據(jù)通信效率低，不適合實時性要求高的應(yīng)用場景。因此該方案在應(yīng)用上受到一定的限制，使其變得越來越小眾，但如今汽車行業(yè)處于產(chǎn)銷微增長（估計很快就會進入長萎縮期）且價格下行的雙重壓力下，積極主動地進行系統(tǒng)降本成了車企應(yīng)對激烈市場競爭的不二法門，研究低成本的汽車CAN網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用獨立的CAN芯片以其獨特的優(yōu)點將會得到更多的關(guān)注。本文以微芯公司的MCP2510芯片為例，針對其不足之處進行工程優(yōu)化，使其更好地滿足CAN網(wǎng)絡(luò)通信需要。

2" 獨立CAN芯片方案

獨立CAN芯片方案包含兩部分內(nèi)容：①利用市場現(xiàn)有的成熟可靠的但不帶CAN功能的單片機控制系統(tǒng)，在其硬件基礎(chǔ)上增加CAN協(xié)議控制芯片和CAN收發(fā)器，實現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)硬件功能;②在原來的單片機軟件框架基礎(chǔ)上增加CAN通信控制軟件模塊，實現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)軟件功能。

獨立的CAN芯片方案不僅適用于新開發(fā)的汽車項目，在原有汽車項目缺芯的情況下，也可很方便地進行項目改造。從上述方案的描述中可以了解，該方案只需在原來的CAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上做微小調(diào)整即可實現(xiàn)功能，無需大改，從而節(jié)省開發(fā)成本和時間，并提升開發(fā)品質(zhì)。

當(dāng)然，采用獨立的CAN芯片方案也存在一些缺陷，主要表現(xiàn)為：①數(shù)據(jù)通信效率低，不適合實時性要求高的應(yīng)用場景;②通信軟件的編寫相對麻煩復(fù)雜。然而，這2項缺點都可以通過一些措施進行優(yōu)化。

3" 優(yōu)化措施

本文以Microchip Technology Inc.（美國微芯科技有限公司）生產(chǎn)的MCP2510芯片為例，對獨立CAN芯片方案的缺點及其優(yōu)化措施進行分析。

3.1" 缺陷分析

MCP2510是一款控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）協(xié)議控制器，該器件支持CAN1.2、CAN2.0A、主動和被動CAN2.0B等版本的協(xié)議，能夠發(fā)送、接收標(biāo)準(zhǔn)和擴展報文。MCP2510芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，該器件包含3個發(fā)送緩沖器、2個接收緩沖器和6個接收濾波器[4]。其中，發(fā)送緩沖器和接收緩沖器可減少單片機的管理負擔(dān)，6個接收濾波器中的每一個分別對應(yīng)一個指定的ID，當(dāng)CAN節(jié)點的ID超過6個時，需要把不同ID碼按每6個一組對驗收濾波器進行裝載。MCP2510與單片機的通信通過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口（SPI）來實現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸速率高達5Mb/s。

由SPI的工作原理可知，單片機對MCP2510的讀寫等操作是以單片機向MCP2510發(fā)送操作碼后MCP2510做出相關(guān)響應(yīng)而實現(xiàn)的，因此SPI數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝詻Q定了MCP2510工作的高效性。以單片機讀CAN擴展幀報文數(shù)據(jù)為例進行詳細說明。SPI數(shù)據(jù)傳輸速率最高值5Mb/s，當(dāng)MCP2510已經(jīng)讀到合法正確的CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)并向單片機發(fā)出中斷請求后，單片機進入中斷處理模式，并發(fā)出讀指令（2個字節(jié)），之后MCP2510向節(jié)點單片機發(fā)數(shù)據(jù)（假如為8個字節(jié)），那么數(shù)據(jù)讀取時間為4.8×8μs，數(shù)據(jù)驗收所需時間為4.8×5×nμs（擴展幀ID為4個字節(jié)，驗收確認為1個字節(jié)，n為擴展幀ID組數(shù)），讀取一幀報文的過程耗時最大為（4.8×8+4.8×5×n）μs。對集成了CAN協(xié)議控制模塊的單片機而言，這個過程是不存在的，因此MCP2510方案的通信效率低是客觀存在的不可避免，但可通過措施進行優(yōu)化。

3.2" 硬件優(yōu)化措施

由3.1的分析可知，為了減少數(shù)據(jù)驗收時間，當(dāng)采用MCP2510獨立CAN芯片的方案時，節(jié)點單片機的接收ID數(shù)量應(yīng)不超過6個。如果某節(jié)點數(shù)據(jù)信息量大且種類多，必須分配超過6個以上的ID時，那么應(yīng)以每個MCP2510芯片管理6個ID為原則，采用多個MCP2510并聯(lián)，再接入外部CAN網(wǎng)絡(luò)線的方式，單片機的SPI口設(shè)置成主從模式即可（圖2）。從成本和通信效率看，3片以上（包括3片）的MCP2510并聯(lián)方案其優(yōu)勢將不復(fù)存在，但是從工程實際應(yīng)用看，一個節(jié)點需要分配的接收ID數(shù)量一般不超過6個，超過12個的情況就更少了，因此僅用1片或最多并聯(lián)2片MCP2510就能滿足絕大多數(shù)的應(yīng)用場合。

3.3" 軟件優(yōu)化措施

獨立CAN芯片方案的軟件優(yōu)化可以從兩個方向著手，其一為采用連續(xù)讀寫方式進行CAN控制器數(shù)據(jù)報文的讀寫。SPI指令中的讀操作是從數(shù)據(jù)段地址字節(jié)中的起始地址開始讀取數(shù)據(jù)的。以MCP2510讀接收緩沖器0為例，其數(shù)據(jù)段地址為66h～6Dh，當(dāng)從單片機的MOSI口發(fā)送3h（指令碼）和66h（起始地址碼）后，MISO口會依次得到來自MCP2510接收緩沖器0中從地址66h到地址6Dh對應(yīng)的8個字節(jié)數(shù)據(jù)（圖3），8個數(shù)據(jù)段字節(jié)連續(xù)讀取耗時16μs。如發(fā)送1個讀指令僅讀1個數(shù)據(jù)，那么讀完8個字節(jié)則耗時38.4μs，可見前者讀數(shù)據(jù)的效率遠高于后者。對于SPI指令中的寫操作，其工作原理與讀操作類似。因此，在讀寫CAN協(xié)議控制芯片的數(shù)據(jù)時，應(yīng)采用連續(xù)讀寫方式。

值得一提的是，以上讀寫數(shù)據(jù)段是基于ID段不變的情況，如果ID段也需要重新讀寫，則還要增加該部分的耗時。因一個緩沖器僅能存放一幀報文，MCP2510一共有3個發(fā)送緩沖器，如果其僅需要管理3個發(fā)送ID，即1個發(fā)送緩沖器指定1個發(fā)送ID，那么發(fā)送ID預(yù)設(shè)完成后在通信過程中就不需要再去做寫ID的動作，因此在此條件下通信效率是相當(dāng)高的。綜上所述，接收的ID不超過6個，發(fā)送的ID不超過3個，節(jié)點的通信系統(tǒng)效率可以最高。

獨立CAN芯片方案的軟件優(yōu)化的第2個方向為開發(fā)通信接口標(biāo)準(zhǔn)軟件模塊。正如前文所述，由于獨立CAN芯片方案的通信接口軟件包含了CAN通信和SPI通信兩部分，因此通信軟件的編寫相對復(fù)雜。如果將節(jié)點單片機的軟件框架構(gòu)建完善，形成通信接口標(biāo)準(zhǔn)軟件模塊，在有需要時把該軟件模塊直接嵌入到應(yīng)用軟件中去，即可實現(xiàn)一勞永逸。比如，對于獨立CAN芯片方案中經(jīng)常用到的讀寫指令操作，對通信接口進行初始化設(shè)定，會大大縮短軟件初始化所需的時間，并使程序代碼的可讀性更好、更簡潔。

4" 結(jié)語

本文提出了一種獨立CAN協(xié)議控制芯片+通用型單片機的硬件方案，分析了該方案存在的弊端，并從軟硬件分別提出了優(yōu)化措施。對于節(jié)點單片機的接收ID不超過6個、發(fā)送ID不超過3個、數(shù)據(jù)刷新的間隔時間要求不高的CAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，采用獨立CAN控制芯片的技術(shù)方案完全能夠滿足工程要求。

參考文獻：

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（編輯" 楊凱麟）

收稿日期：2024-03-12