利用高度集成的8位MCU簡(jiǎn)化CAN汽車應(yīng)用

　　作者Edwin Romero

　　控制器局域網(wǎng)（CAN）協(xié)議是在20世紀(jì)80年代中期專為汽車行業(yè)設(shè)計(jì)的一種規(guī)范，可在日益增長(zhǎng)的互聯(lián)應(yīng)用中減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟季€復(fù)雜性（重量、數(shù)量和成本）。

　　CAN的優(yōu)勢(shì)也被其他市場(chǎng)（包括工廠自動(dòng)化和醫(yī)療應(yīng)用）接受和吸納，這使其應(yīng)用范圍更加廣泛，全球每年交付的CAN節(jié)點(diǎn)超過10億個(gè)。同樣，每年交付的8位單片機(jī)（MCU）也超過10億個(gè)。如今，雖然這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)有部分重疊，但今后仍會(huì)有大幅增長(zhǎng)。

　　CAN繼續(xù)滿足汽車制造商的需求

　　傳統(tǒng)的CAN通信以事件為基礎(chǔ)，允許單片機(jī)和專用集成電路（ASICS）在應(yīng)用中直接相互通信，無需主機(jī)。CAN經(jīng)過半導(dǎo)體公司集成后極大降低了成本，并且能夠與更多汽車系統(tǒng)兼容。自2000年初以來，8位MCU也引入了CAN協(xié)議。最近，2015年最先推出的8位MCU設(shè)計(jì)方案使用獨(dú)立于內(nèi)核的外設(shè)（CIP），全新的8位MCU系列能夠解決CAN應(yīng)用中的許多系統(tǒng)問題。

　　除了成本效益高之外，CAN的成功還可以歸功于：

• 　　穩(wěn)健性
• 　　可靠的數(shù)據(jù)傳輸
• 　　易于實(shí)現(xiàn)

　　毫無疑問，除了成本效益極高之外，8位MCU還具有上述優(yōu)勢(shì)。因此，8位MCU和CAN是用于滿足汽車網(wǎng)絡(luò)需求的完美組合。

　　多年來的實(shí)踐足以證明CAN能夠滿足各種控制系統(tǒng)的需求。隨著汽車網(wǎng)絡(luò)需要的各種屬性不斷增加，包括時(shí)間觸發(fā)、容錯(cuò)和單線實(shí)現(xiàn)以及具有靈活數(shù)據(jù)傳輸速率的CAN（CAN FD），CAN規(guī)范也得到擴(kuò)展。表1顯示的是自30多年前首次推出以來CAN發(fā)生的諸多變化。

　　表1.用于滿足不同汽車需求的CAN版本

　　為了將傳感器和執(zhí)行器聯(lián)網(wǎng)以提高系統(tǒng)舒適度，汽車工程師使用局域互連網(wǎng)絡(luò)（LIN）協(xié)議來降低成本。但是，LIN是單線主從式網(wǎng)絡(luò)，需要對(duì)使用CAN的硬件和軟件進(jìn)行更改。使用CAN的最新汽車應(yīng)用包括門禁控制、電池充電/電池管理和診斷設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)全部的車輛要求，尤其是需要從另一個(gè)CAN控制系統(tǒng)訪問數(shù)據(jù)的車輛要求，需要使用8位MCU/CAN。圖1顯示的是將8位MCU/CAN節(jié)點(diǎn)輕松添加到現(xiàn)有CAN總線的示例。

　　圖1.不同的CAN實(shí)現(xiàn)可以共存，這增加了CAN總線的靈活性

　　使用支持CAN的8位MCU滿足低成本網(wǎng)絡(luò)需求

　　連接到CAN總線是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要實(shí)現(xiàn)的最低功能，通過增加專門用于滿足其他系統(tǒng)要求的外設(shè)，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)人員的任務(wù)。這些系統(tǒng)任務(wù)包括感測(cè)一個(gè)或兩個(gè)用于控制目的的參數(shù)、移動(dòng)電機(jī)或激活電磁線圈或者提供其他功能。

　　使用CIP方法可以降低軟件的復(fù)雜程度，并以較低的時(shí)鐘速度提供更快的響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)降低功耗。Microchip PIC18 K83系列中豐富的CIP系統(tǒng)類別包括：

　　·智能模擬（包括傳感器接口）

　　·波形控制

　　·時(shí)序和測(cè)量

　　·邏輯和數(shù)學(xué)

　　·安全和監(jiān)視

　　·通信

　　·低功耗和系統(tǒng)靈活性

　　在這些類別中，具體外設(shè)包括：

　　·帶有存儲(chǔ)器掃描的循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC），用于確保非易失性存儲(chǔ)器的完整性

　　·直接存儲(chǔ)器訪問（DMA），用于在沒有CPU參與的情況下進(jìn)行存儲(chǔ)器和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸

　　·窗口看門狗定時(shí)器（WWDT），用于觸發(fā)系統(tǒng)復(fù)位

　　·帶計(jì)算功能的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC2），可自動(dòng)進(jìn)行模擬信號(hào)分析，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)

　　·互補(bǔ)波形發(fā)生器（CWG），用于使能電機(jī)控制的高效同步開關(guān)

　　除了使用CAN 2.0B外，集成CAN控制器還能夠完全兼容以前版本的CAN模塊（CAN 1.2和CAN 2.0A）。該產(chǎn)品的功能包括存儲(chǔ)器訪問分區(qū)（MAP），用于在數(shù)據(jù)保護(hù)和自舉程序應(yīng)用中為設(shè)計(jì)人員提供支持。器件信息區(qū)（DIA），用于為工廠編程的器件ID和外設(shè)校準(zhǔn)值提供專用存儲(chǔ)空間。

　　由于CAN節(jié)點(diǎn)的主要目標(biāo)是通信，因此8位MCU改進(jìn)了串行通信，包括支持異步通信和LIN協(xié)議的UART以及更高速的獨(dú)立I2C和SPI串行通信接口。表2顯示了15個(gè)CIP以及它們滿足具體系統(tǒng)需求的方式。

　　表2. PIC18 K83系列中獨(dú)立于內(nèi)核的外設(shè)可滿足多種系統(tǒng)需求

　　過去并沒有考慮過在8位MCU中實(shí)施這些片上結(jié)構(gòu)，而正是由于這些結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在的8位MCU的性能與許多設(shè)計(jì)人員的期望完全不同，提供的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過十年前設(shè)計(jì)的MCU。

　　8位MCU的編程方式非常簡(jiǎn)單，與CAN和CIP結(jié)合使用時(shí)甚至更加容易。當(dāng)這些8位MCU能夠提供足夠的處理能力時(shí)，特別是針對(duì)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)的處理能力，便能夠替代更昂貴且更難編程的16位MCU。而CIP可以提供更多處理能力，實(shí)現(xiàn)更多8位MCU選項(xiàng)。

　　可靈活配置的片上硬件模塊能夠更高效更確定地處理重復(fù)嵌入。事實(shí)上，由于CAN的確定性，如果MCU陷入循環(huán)，使用CIP的CAN仍然可以在內(nèi)核之外繼續(xù)運(yùn)行。

　　借助最新的8位MCU/CAN + CIP和LIN，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以為CAN和LIN通信提供更多靈活性和選擇。實(shí)際上，一些典型的8位MCU LIN應(yīng)用現(xiàn)在是潛在的CAN應(yīng)用。例如，如果模塊需要了解網(wǎng)絡(luò)上的其他數(shù)據(jù)（如車輛速度），CAN可能是更好的選擇，或者至少是LIN的備選方案。這對(duì)于擋風(fēng)玻璃雨刮非常有用，可以根據(jù)車輛的速度改變雨刷速度，而無需CAN到LIN的網(wǎng)關(guān)。另外，如圖2所示，使用系統(tǒng)級(jí)CIP可以少用一兩個(gè)額外的ASIC。

　　多年來，汽車中一直使用相同的PWM和互補(bǔ)波形發(fā)生器CIP生成相當(dāng)復(fù)雜的多色LED氣氛照明。由于MCU沒有應(yīng)用CAN功能，這些驅(qū)動(dòng)程序會(huì)連接到LIN總線。將該功能與支持CAN功能的高性價(jià)比8位MCU相結(jié)合，可為設(shè)計(jì)提供更高的靈活性和簡(jiǎn)化的備用方法。

　　雖然市面上大多數(shù)8位MCU都嚴(yán)重依賴內(nèi)核來處理外設(shè)功能，但CIP可實(shí)現(xiàn)其他系統(tǒng)設(shè)計(jì)可能性，不會(huì)對(duì)CPU造成明顯負(fù)擔(dān)，這包括：各種傳感器的高精度接口、高功率LED驅(qū)動(dòng)器和/或相當(dāng)復(fù)雜的電機(jī)控制水平。

　　可以使用各種開發(fā)工具確定這些和其他可能性中的哪一種適合特定網(wǎng)絡(luò)。例如，MPLAB?代碼配置器（MCC）是一款免費(fèi)的軟件插件，可提供圖形界面來配置特定于應(yīng)用的外設(shè)和功能。借助該工具，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師在完成特定任務(wù)時(shí)可以輕松配置基于硬件的外設(shè)，而不必編寫和驗(yàn)證整個(gè)軟件程序。

　　樹立自信的態(tài)度

　　對(duì)于汽車和工業(yè)應(yīng)用中的總線架構(gòu)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員肯定有多種選擇。作為一種廣受認(rèn)可的總線，當(dāng)需要為現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)增加檢測(cè)和/或控制功能時(shí)，具有附加功能來滿足不同系統(tǒng)需求的MCU使CAN成為一種出色的選擇。憑借其獨(dú)立于內(nèi)核的外設(shè)，8位MCU/CAN系列可將CAN擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)上更具成本效益的節(jié)點(diǎn)中。

　　新型8位MCU/CAN + CIP為新興汽車網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供了靈活、經(jīng)濟(jì)高效、簡(jiǎn)單而可靠的數(shù)據(jù)傳輸以及訪問控制、電池充電/電池管理和診斷設(shè)備所需的更高性能和系統(tǒng)支持。

　　參考資料

　　1.PIC18 K83產(chǎn)品系列：http://www.microchip.com/promo/pic18f-k83

　　2.MPLAB代碼配置器（MCC）：http://www.microchip.com/mplab/mplab-code-configurator