淺談汽車電子設(shè)計中支持CAN應(yīng)用的微控制器

　　汽車行業(yè)已經(jīng)采用了診斷總線。這些相當簡單、低成本的串行接口允許汽車制造商連接傳感器、執(zhí)行器、電源控制、按鈕、開關(guān)、顯示器、指示器等。過去復(fù)雜、昂貴且通常不可靠的線束線束幾乎一去不復(fù)返了。

　　這對于專業(yè)機械師和“自己動手”也是一個福音。低成本閱讀器可以幫助解決現(xiàn)代汽車和發(fā)動機的問題。當它接入汽車的電子設(shè)備時，我們可以訪問發(fā)動機統(tǒng)計數(shù)據(jù)、實時傳感器數(shù)據(jù)、設(shè)置、模式、存儲的警報和錯誤代碼。

　　許多嵌入式設(shè)計都利用了這種連接性，從低成本信號直通和攔截（用于遠程啟動器）到手持數(shù)據(jù)終端類型的閱讀器，再到用于賽車和其他高性能應(yīng)用的更復(fù)雜的實時數(shù)據(jù)采集工具。

　　因此，有一系列微控制器，從小型 8 位部件到高端 32 位部件，通過 CAN 總線瞄準這一龐大且易于接受的人群，CAN 總線是一種車輛總線標準，旨在允許微控制器和設(shè)備與在沒有主機的車輛內(nèi)相互連接。這種基于消息的協(xié)議專為汽車應(yīng)用而設(shè)計，但現(xiàn)在也用于航空航天、工業(yè)自動化和醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。

　　本文著眼于支持 CAN 應(yīng)用的微控制器。

　　一個共同的標準

　　加利福尼亞州早在 1966 年就開始立法使用控制系統(tǒng)來對抗煙霧。這些想法進入了 1970 年的清潔空氣法案，并誕生了使用計算機化汽車系統(tǒng)來減少排放。

　　到 1988 年，汽車工程師協(xié)會（SAE）已經(jīng)定義了標準診斷、連接器和信號。在 EPA 采用了大部分 SAE 標準后，OBDII 于 1996 年成為擴展標準集。自 1996 年以來，基本 OBDII 協(xié)議已拆分如下，歐洲和克萊斯勒使用 ISO 9141（或 KWP2000），福特使用脈沖寬度調(diào)制 SAE J1850，通用汽車使用具有可變脈沖寬度調(diào)制的 SAE J1850。

　　2008 年，所有在美國銷售的汽車都必須使用采用 CAN 雙絞線信號的現(xiàn)代 OBDII 協(xié)議或 ISO15765-4，該協(xié)議使用標準 SAEJ1962 連接器和引腳 6 和 14 上的差分信號進行通信（圖 1 ）。唯一的變化是標識符長度和總線速度（表 1）。

　　表 1：現(xiàn)代 ISO15765-4 連接因標識符位長度和數(shù)據(jù)速率而異。

　　圖 1：舊協(xié)議使用 7/15 或 2/10 信號對。對于強制性 ISO15765，引腳 6 和 14 是 CAN 總線使用的差分信號對。

　　事實上的標準 ELM327 命令集類似于 Hayes 調(diào)制解調(diào)器使用的 AT 風格命令集。ASCII 字符串和參數(shù)啟動功能并返回有關(guān)引擎數(shù)據(jù)、代碼等的狀態(tài)信息。由于信息的自由流動可用性，基于 ROM 的查找表可以保存固件可訪問的代碼含義。使用 Internet 搜索引擎可以輕松解碼較舊的密碼。此外，如何修復(fù)它的帖子和視頻使個人比以往任何時候都更容易利用 OBDII 和 CAN 接口。

　　只是掛在公交車上

　　幾種類型的產(chǎn)品可以很好地利用 OBDII 來利用汽車的電子系統(tǒng)。由于 CAN 允許總線上使用碰撞檢測和避免方案的多主控，因此為 CAN 總線控制的車輛增加計算能力相對容易。所有節(jié)點都使用郵箱和緩沖區(qū)來相互共享和獲取數(shù)據(jù)，偵聽命令，并在尋址時跳轉(zhuǎn)。

　　除了靜態(tài)測量之外，還可以通過 OBDII 獲得實時發(fā)動機數(shù)據(jù)。這允許在多功能顯示器上定制儀表和儀表組，這對于儀表板上甚至沒有溫度計的現(xiàn)代車輛來說尤其重要。此外，汽車計算機的性能增強芯片允許高級用戶微調(diào)性能或經(jīng)濟設(shè)置（通常有違反汽車保修條款的風險）。

　　重要的是要知道 CAN 總線上的成幀數(shù)據(jù)包是 UART 樣式的數(shù)據(jù)字符串。因此，任何具有 UART 的微控制器都具有良好的時序控制電路，可以在非標準波特率下保持精度，是 CAN 控制的可行候選者。

　　另一方面，物理接口使用大多數(shù)基于 UART 的微控制器不支持的半雙工差分信號技術(shù)。因此，要將 UART 修補到 CAN 中，需要一個CAN 收發(fā)器芯片，例如英飛凌 IFX1050G（圖 2A）或安森美半導(dǎo)體的 AMIS426711CAB1RG（圖 2B）。這些類型的物理層接口芯片使邏輯電平 TX 和 RCV 線路適應(yīng)電隔離或非隔離汽車總線。

　　圖 2：CAN 總線收發(fā)器允許任何基于 UART 的微增益連接到 OBDII 總線。每個都有有用的功能。英飛凌 IFX1050G（左）具有抑制、只讀和低功耗模式，適用于可能斷開汽車電源的閱讀器。ON Semiconductor AMIS426711（右）具有自動波特率檢測器，可用于檢測和支持舊協(xié)議。

　　具有內(nèi)置差分收發(fā)器的微控制器可以是通用的或?qū)Ｓ玫?。以Innovasic IA82527PLC44AR2 CAN 控制器 IC 為例（圖 3）。它在外形、尺寸和功能上都與傳統(tǒng)的 Intel 82527 通信控制器兼容，并針對 CAN 支持進行了改進。外設(shè)式 CAN 支持也來自Microchip，其MCP2515T-1/ML SPI 可訪問的獨立 CAN 控制器，以及來自恩智浦的SJA1000T/N1，118獨立 CAN 控制器，帶有并行接口。

　　圖 3：作為自立式外圍芯片的 CAN 控制器有助于將設(shè)計快速推向市場，因為大部分繁重的工作已經(jīng)完成。Innovasic IA82527 為本地主機微控制器提供串行和并行接口以及 I/O 端口。

　　傳統(tǒng)架構(gòu)在處理 CAN 數(shù)據(jù)方面做得很好。8 位、50 MHz Silicon Labs C8051F550-IM具有內(nèi)置 CAN 控制器，作為廣受歡迎的 8051 核心處理器的外圍設(shè)備（圖 4）。與舊的 8051 相比，1.8 到 5.25 伏的部件主要使用單周期指令，使其性能提高 12 倍。

　　圖 4：作為傳統(tǒng)內(nèi)核的附加外設(shè)，基于 Silicon Labs 8051 的 C8051F550 讓設(shè)計人員可以在添加 CAN 功能的同時保留傳統(tǒng)電路板和代碼。

　　其他片上外設(shè)包括 I2C、SPI、UART 和 12 位 A/D。該公司還提供利用片上串行調(diào)試接口和仿真器端口的C8051F560DK開發(fā)套件。Digi-Key 網(wǎng)站上還提供了串行通信概述產(chǎn)品培訓(xùn)模塊。

　　更多馬力，16 位部件，如飛思卡爾 MC912D60ACFUE8可能是一個不錯的選擇。作為公司 HC12/HC16 系列的一部分，這些 16 位部件與熟悉的 68HC11 系列處理器向上兼容，具有 20 位 ALU、混合信號支持和差分 CAN 總線引腳。

　　飛思卡爾部件的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是 msCAN 軟件，它提供消息調(diào)度和優(yōu)先級，以及用于協(xié)調(diào)多個消息和活動的高級緩沖區(qū)管理。特別感興趣的是符合 CAN 2.0 B 擴展標識符模式的兩個可屏蔽標識符接受過濾器。飛思卡爾部件還具有串行調(diào)試/仿真端口和內(nèi)部 EEPROM 以及閃存。

　　更復(fù)雜的設(shè)計可能包括驅(qū)動高分辨率 LCD 和 TFT，同時還集成以太網(wǎng)、GPS、Wi-Fi、藍牙或 USB。這些設(shè)計將需要更多的 I/O、更寬的數(shù)據(jù)路徑、外部總線以及通常更大的馬力。許多現(xiàn)成的嵌入式處理器已準備好在此處提供服務(wù)，例如支持 CAN 的Renesas RX600系列 32 位 MCU。32 位 RX CPU 內(nèi)核以 100 MHz 的最大工作頻率提供 165 DMIPS，瑞薩 MCU 實現(xiàn)了符合 ISO11898-1 規(guī)范的 CAN 模塊（圖 5）的一個通道（32 個郵箱）。CAN 模塊發(fā)送和接收兩種格式的消息，即標準標識符（11 位）和擴展 ID（29 位）。瑞薩電子還提供了一個產(chǎn)品培訓(xùn)模塊，名為 CAN 外設(shè)和 API。