基于Arduino的CAN通信模塊的設(shè)計(jì)

黃菊花，顧曉輝，曹銘

(南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西 南昌 330031)

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的基于微控制器的設(shè)計(jì)開發(fā)平臺(tái)，具有低成本、易開發(fā)等特點(diǎn)[1]。CAN(controller area network,CAN)總線是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，其高性能和可靠性已被認(rèn)同，并不再局限于汽車控制系統(tǒng)應(yīng)用中，被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面[2]。因此，各類控制器在開發(fā)和應(yīng)用時(shí)，CAN模塊也起著越來越重要的角色。Mathworks開發(fā)基于Simulink開發(fā)環(huán)境下的硬件支持包(hardware support package)，Simulink Support Package for Arduino Hardware提供了Arduino的基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)設(shè)備，通過采用Simulink的嵌入式控制系統(tǒng)的開發(fā)解決了傳統(tǒng)開發(fā)周期長(zhǎng)和效率低的問題，使得開發(fā)更加簡(jiǎn)單，成本低，操作方便[3]。

本文確立將如何開發(fā)基于Arduino的CAN驅(qū)動(dòng)設(shè)備技術(shù)作為研究方向。研究中將選用Arduino系列中的Arduino Mega 2560控制器作為核心控制器，CAN總線節(jié)點(diǎn)采用CAN總線控制器MCP2515芯片和TJA1050收發(fā)器組合。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的基于Arduino的CAN驅(qū)動(dòng)設(shè)備技術(shù)由Arduino、MCP2515和CAN總線節(jié)點(diǎn)幾部分組成。Arduino MEGA 2560單片機(jī)作為主控芯片，Arduino MEGA 2560采用USB接口與上位機(jī)PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。Arduino MEGA 2560的處理器核心是ATmega2560，具有54路數(shù)字輸入/輸出口(其中16路可作為PWM輸出)，16路模擬輸入，適合需要大量I/O接口的設(shè)計(jì)。Arduino系統(tǒng)對(duì)硬件底層的控制代碼細(xì)節(jié)進(jìn)行了封裝，用戶只需要使用Arduino系統(tǒng)封裝好的接口就能高效地實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的控制[4]。

CAN總線節(jié)點(diǎn)的作用是通過CAN總線進(jìn)行各節(jié)點(diǎn)之間的相互通信，通過CAN數(shù)據(jù)的傳輸以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制過程。CAN協(xié)議廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而是對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)不僅在數(shù)量上不受限制，并且不同節(jié)點(diǎn)能夠同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)[5]。由于CAN總線具有較好的糾錯(cuò)能力，支持分布式控制，能夠?qū)崟r(shí)控制，從而保證了系統(tǒng)的高可靠性和高靈活性，而且CAN總線還采用非破壞性仲裁技術(shù)，當(dāng)2個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)停止發(fā)送數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可在不受影響的情況下繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，有效避免了總線的沖突[6]。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

MCP2515是具有局域網(wǎng)絡(luò)CAN協(xié)議的獨(dú)立控制器，可通過收發(fā)器與CAN總線進(jìn)行連接。MCP2515由CAN模塊、SPI協(xié)議模塊和用于配置該器件及其運(yùn)行邏輯的控制器3部分構(gòu)成[7]。Arduino MEGA 2560與MCP2515的連接如圖1。

Arduino的ATmega2560芯片中由19號(hào)腳(SS)、20號(hào)腳(SCK)、21號(hào)腳(MOSI)、22號(hào)腳(MISO)組成的SPI接口與MCP2515的SPI協(xié)議模塊進(jìn)行對(duì)接，再與MCP2515的CAN模塊進(jìn)行通信[8]。采用MCP2515芯片作為CAN總線節(jié)點(diǎn)的CAN總線控制器，TJA1050作為CAN總線節(jié)點(diǎn)的CAN收發(fā)器。MCP2515芯片通過SPI接口和Arduino對(duì)接，Arduino和上位機(jī)進(jìn)行原始數(shù)據(jù)傳輸，然后MCP2515的CAN模塊會(huì)根據(jù)CAN協(xié)議把數(shù)據(jù)封裝成報(bào)文形式，最后通過TJA1050收發(fā)器完成與CAN總線之間的數(shù)據(jù)傳輸[9]。

在整個(gè)平臺(tái)上，Arduino控制器負(fù)責(zé)接收系統(tǒng)的應(yīng)用數(shù)據(jù)，整個(gè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)由Arduino控制器首先接收，再通過Arduino控制器的SPI接口傳輸?shù)組CP2515控制器，MCP2515控制器將封裝的數(shù)據(jù)通過TJA1050收發(fā)器與CAN總線進(jìn)行通信，完成整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸。整個(gè)數(shù)據(jù)流過程如圖2所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 CAN初始化

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用Simulink開發(fā)方式，將Simulink中實(shí)現(xiàn)的CAN驅(qū)動(dòng)設(shè)備加載到Arduino控制器中，實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN總線進(jìn)行調(diào)試的功能，最終建立CAN通信。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的CAN應(yīng)用層、驅(qū)動(dòng)程序及操作系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層功能[10]。首先在Simulink中進(jìn)行CAN的初始化配置，包括配置MCP2515的寄存器，以及其波特頻率和振蕩器頻率的調(diào)整。通過配置CANCTRL控制寄存器配置好MCP2515的配置模式，由配置寄存器CNF1、CNF2、CNF3配置整個(gè)CAN通信過程的波特頻率。MCP2515是通過SPI接口接收數(shù)據(jù)，同時(shí)也要配置好Arduino的SPI接口。CAN初始化模塊如圖3所示。

3.2 CAN發(fā)送模塊

CAN數(shù)據(jù)的發(fā)送需要讀取MCP2515控制器和Arduino控制器相應(yīng)的發(fā)送狀態(tài)，配置其相應(yīng)的寄存器。MCP2515擁有3個(gè)發(fā)送緩沖器用于發(fā)送CAN報(bào)文，并且每個(gè)發(fā)送緩沖器都占用了14字節(jié)的SRAM。在報(bào)文寫入發(fā)送緩沖器之前，需要確認(rèn)TXBnCTRL寄存器的TXREQ位是否清零，只有當(dāng)TXREQ位置為0，才表明發(fā)送緩沖器中沒有等待發(fā)送的報(bào)文。MCP2515的3個(gè)發(fā)送緩沖器的優(yōu)先級(jí)不一樣，與CAN協(xié)議中的報(bào)文仲裁優(yōu)先級(jí)不同，優(yōu)先級(jí)高的發(fā)送緩沖器能夠優(yōu)先發(fā)送，若發(fā)送緩沖器擁有一樣的優(yōu)先級(jí)，則編號(hào)較高的報(bào)文會(huì)優(yōu)先發(fā)送。需要配置TXBnSIDH、TXBnSIDL寄存器，來確定需要發(fā)送的報(bào)文的ID，其中TXBnSIDL的EXIDE位被置1表示報(bào)文要發(fā)送擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符，置0表示報(bào)文要發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符。TXBnDLC寄存器控制發(fā)送緩沖器數(shù)據(jù)字節(jié)，0～3字節(jié)的DLC位設(shè)定要發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，RTR位被置1表示要發(fā)送的報(bào)文是遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求，置0表示要發(fā)送的報(bào)文是數(shù)據(jù)幀。另外，TXBnDm寄存器能將帶有數(shù)據(jù)字節(jié)的報(bào)文完成數(shù)據(jù)裝載，數(shù)據(jù)裝載之后就能啟動(dòng)報(bào)文的發(fā)送。當(dāng)器件確認(rèn)發(fā)送緩沖器的TXBnCTRL寄存器中的TXREQ位被置1后，便開始啟動(dòng)報(bào)文發(fā)送。這里指的報(bào)文發(fā)送并不是報(bào)文就能立即發(fā)送出去，而是在發(fā)送緩沖器中將報(bào)文標(biāo)為準(zhǔn)備發(fā)送，只有當(dāng)器件檢測(cè)到CAN總線處于空閑狀態(tài)，才能將報(bào)文發(fā)送出去。TXBnCTRL寄存器的TXREQ位在檢測(cè)到報(bào)文發(fā)送成功后會(huì)自動(dòng)置0，在檢測(cè)到報(bào)文發(fā)送失敗時(shí)，TXREQ位會(huì)繼續(xù)保持置1，表明CAN總線沒有空閑，需要等待發(fā)送。

此外，如果需要中止發(fā)送報(bào)文，器件可通過將報(bào)文發(fā)送緩沖器的TXBnCTRL寄存器的TXREQ位置為0，也可通過將CANCRTL寄存器的ABAT位置為1，2種方式請(qǐng)求中止發(fā)送該發(fā)送緩沖器中等待發(fā)送的報(bào)文，但是只有尚未開始發(fā)送的報(bào)文才能夠被中止。最后將這些模型封裝成整體的CAN發(fā)送模塊。CAN發(fā)送模塊如圖4。

3.3 CAN接收模塊

CAN數(shù)據(jù)的接收要讀取MCP2515控制器以及Arduino控制器相應(yīng)的接收狀態(tài)，配置相應(yīng)的接收寄存器。MCP2515擁有2個(gè)全接收緩沖器用于接收CAN報(bào)文，MCP2515還配備了1個(gè)報(bào)文集成緩沖器(message assembly buffer,MAB)。MAB的作用是對(duì)符合驗(yàn)收過濾器條件的報(bào)文進(jìn)行打包發(fā)送至2個(gè)全接收緩沖器內(nèi)，并且MAB是唯一一個(gè)能隨時(shí)接收CAN總線的下一條報(bào)文的接收緩沖器。當(dāng)接收緩沖器接收到報(bào)文時(shí)，該接收緩沖器的CANINTF寄存器的RXnIF位將被置1，待該報(bào)文被緩沖器處理完畢，器件必須將RXnIF位置為0，以便緩沖器接收CAN總線的下一條CAN報(bào)文，而且CANINTF寄存器具有鎖定功能，在器件沒有處理完上一條CAN報(bào)文前，MCP2515的接收緩沖器不能被載入新的報(bào)文。MCP2515的2個(gè)接收緩沖器的優(yōu)先級(jí)是不一樣的，RXB0的優(yōu)先級(jí)要大于RXB1的優(yōu)先級(jí)，這是由于RXB0緩沖器只有2個(gè)驗(yàn)收過濾器而RXB1緩沖器卻擁有4個(gè)驗(yàn)收過濾器，使得RXB0緩沖器接收?qǐng)?bào)文匹配的條件更為嚴(yán)格。另外，RXB0緩沖器如果已經(jīng)在處理一條有效CAN報(bào)文的情況下，接收到了下一條有效CAN報(bào)文，能通過配置RXB0CTRL寄存器將新的報(bào)文滾存至RXB1緩沖器內(nèi)。

CAN接收模塊的建立，需要先讀取MCP2515相應(yīng)引腳的接收狀態(tài)，RXCAN引腳檢測(cè)到CAN總線上有CAN報(bào)文，便會(huì)使SOF引腳觸發(fā)起始幀信號(hào)。隨后要對(duì)MCP2515的接收緩沖器的寄存器進(jìn)行配置，通過查詢器件的接收中斷接收CAN總線上的CAN報(bào)文。在Simulink中的接收驅(qū)動(dòng)模塊將接收緩沖器以及其寄存器配置完成，接收中斷配置、接收故障檢測(cè)配置完成，最后將這些模塊封裝成整體的CAN接收模塊。CAN接收模塊如圖5。

3.4 CAN中斷

要在通信系統(tǒng)中及時(shí)地讀取和處理來自CAN總線的狀態(tài)，就必須清楚地知道相應(yīng)的中斷狀態(tài)，做出及時(shí)的出錯(cuò)處理、接收數(shù)據(jù)處理、發(fā)送數(shù)據(jù)處理，這都依賴于MCP2515擁有8個(gè)中斷源，具有靈活的中斷處理能力。MCP2515擁有CANINTE中斷使能寄存器和CANINTF中斷標(biāo)志寄存器，包含了所有的中斷使能位和中斷標(biāo)志位。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

進(jìn)行CAN通信仿真，首先根據(jù)電機(jī)控制器與整車控制器的CAN通訊協(xié)議通過CANdb++建立DBC文件。電機(jī)控制器與整車控制器的CAN通訊協(xié)議遵行SAE J1939標(biāo)準(zhǔn)，通信協(xié)議見表1和表2。將建立好的DBC文件加載到Simulink的CANpack模塊中，并對(duì)模型進(jìn)行對(duì)比修正，修改后的模型見圖6。

實(shí)驗(yàn)說明：在Simulink中通過USB接口將建立好的CAN模塊加載至Arduino MEGA 2560控制器中運(yùn)行，設(shè)置好目標(biāo)轉(zhuǎn)速值、扭矩值、上電控制命令、模式控制命令、運(yùn)行控制命令以及CAN幀數(shù)。其中上電控制命令由字節(jié)中的一位控制，0/1代表接觸器斷開/閉合；模式控制命令由字節(jié)中的一位控制，0/1代表轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速模式；運(yùn)行控制命令由字節(jié)中的2位控制，00代表停止、01代表正向、10代表反向、11代表空轉(zhuǎn)。

實(shí)驗(yàn)采集設(shè)備：USBCAN-II。

實(shí)驗(yàn)分析軟件：CANTEST。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：CAN通信建立完成后，通過CANTEST軟件分析實(shí)現(xiàn)了CAN發(fā)送和CAN接收的功能，并且CANTEST可以加載DBC文件對(duì)報(bào)文進(jìn)行解析，解析后的數(shù)據(jù)見圖7。結(jié)果表明，采用Simulink進(jìn)行嵌入式開發(fā)的基于Arduino控制器能夠完成CAN通信功能。

表1 數(shù)據(jù)格式定義Tab.1 Data format definition

表2 報(bào)文協(xié)議Tab.2 Message protocol

5 結(jié)語

由于圖形可視化的優(yōu)點(diǎn)，更多的嵌入式開發(fā)選擇模型設(shè)計(jì)的方式，采用Simulink作為開發(fā)工具也必將成為一種趨勢(shì)。在嵌入式開發(fā)中，控制器的驅(qū)動(dòng)開發(fā)技術(shù)不可缺少，本文基于Arduino控制器的CAN驅(qū)動(dòng)設(shè)備在Simulink中實(shí)現(xiàn)了CAN通訊功能，不僅為Arduino控制器提供了更多的通訊方式，也為控制器更多的系統(tǒng)開發(fā)打下了基礎(chǔ)，希望通過CAN驅(qū)動(dòng)設(shè)備通信功能的實(shí)現(xiàn)，能夠起到拋磚引玉的作用，實(shí)現(xiàn)基于Simulink的各類控制器的嵌入式開發(fā)。