四川九洲電器集團(tuán)公司 王維維 昌 暢 馮 碩

用MSP430F149實(shí)現(xiàn)GPS時(shí)間數(shù)據(jù)處理及CAN總線通信系統(tǒng)

四川九洲電器集團(tuán)公司 王維維 昌 暢 馮 碩

本文介紹一種使用TI的16位超低功耗單片機(jī)MSP430F149來接收GPS OEM板的時(shí)間數(shù)據(jù)，進(jìn)行守時(shí)處理，并把實(shí)時(shí)時(shí)間數(shù)據(jù)通過CAN總線來對(duì)外傳輸。其中，CAN總線是利用MSP430F149單片機(jī)和獨(dú)立CAN控制器MCP2515來實(shí)現(xiàn)的。

MSP430F149；GPS數(shù)據(jù)；CAN總線；MCP2515

一、引言

TI的MSP430系列單片機(jī)是一種16位單片機(jī)。由于它集成度高、外圍設(shè)備豐富、超低功耗等優(yōu)點(diǎn)，因此在許多領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中所涉及的MSP430F149功能模塊的利用：2個(gè)串行通信接口(USART0/1)、2個(gè)16位的定時(shí)器(TimerA/B)、I/O口的一般I/O功能和P1和P2口的I/O中斷功能。

二、CAN總線簡介

CAN總線是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，其通信接口集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對(duì)數(shù)據(jù)的成幀處理。CAN總線支持全雙工通信，采用對(duì)通信數(shù)據(jù)塊編碼的方式，可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，還可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)。CAN總線以其可靠性高、通信速率快、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，成為工控領(lǐng)域中最佳的選擇。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

該系統(tǒng)硬件主要由以下幾部分組成：GPS OEM板，MCU為TI的MSP430F149，CAN總線控制器為MicroChip公司的MCP2515，CAN收發(fā)器為PHILIPS的PCA82C250，以及電源輸入與電源切換電路。具體見圖1：

1.GPS OEM板性能與GPRMC語句

本文所采用GPS OEM板，其輸出串行數(shù)據(jù)格式為：波特率9600，無校驗(yàn)、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位。輸出信息設(shè)置為符合NMEA0183 VER2.0協(xié)議的ASCII碼。輸出語句為GPRMC語句，其具體數(shù)據(jù)格式為：

$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*hh

其中，“$”表示串頭；GP為標(biāo)識(shí)符；RMC表示語句名；<1>,<2>,….,<12>為輸出語句的數(shù)據(jù)字段；“*”表示串尾；hh代表“$”和“*”之間所有字符代碼的校驗(yàn)和。所有的語句都必須以結(jié)束，即ASCII字符“回車”和“換行”。<1>表示UTC時(shí)間，格式為“hhmmss（時(shí)分秒）”，實(shí)際應(yīng)用中必須對(duì)“時(shí)”數(shù)據(jù)進(jìn)行加8處理，轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的北京時(shí)間。<2>代表定位狀態(tài)有效(“A”)或無效(“V”)。<9>為UTC日期，格式為“ddmmyy(日月年)”。

該GPS OEM板的串行數(shù)據(jù)輸出管腳為標(biāo)準(zhǔn)CMOS邏輯電平，故可以直接與單片機(jī)的串行數(shù)據(jù)接收管腳連接，而不需另加RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行邏輯電平的轉(zhuǎn)換。

2.MCP2515性能簡介

完全支持CAN V2.0B技術(shù)規(guī)范，能收、發(fā)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀以及擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀，最高通信速率為1Mb/s；

兩個(gè)接收緩沖器，三個(gè)發(fā)送緩沖器，能對(duì)接收幀進(jìn)行屏蔽、過濾，且優(yōu)先級(jí)可編程設(shè)定。

具有高速SPI接口(10MHz)。

有靈活的中斷管理功能，方便數(shù)據(jù)的組織和信息的管理。

上述這些特性，使得MCU對(duì)于CAN總線的操作變得更方便、高效。

更多關(guān)于MCP2515芯片的描述，詳見其數(shù)據(jù)手冊(cè)，在此不做詳談。

3.電源輸入及電源切換電路

由于本系統(tǒng)要接收GPS數(shù)據(jù)，并用MCU進(jìn)行守時(shí)，守時(shí)階段由電池對(duì)MCU和晶體電路進(jìn)行供電，MCP2515、GPS OEM板和PCA82C250不工作。

非守時(shí)階段，即系統(tǒng)正常工作時(shí)，所有功能模塊均由外部電源供電，電池不工作。

電源切換電路的具體實(shí)現(xiàn)如圖2：其中D1、D2為低壓降的二極管。1K阻值的R1，其作用是當(dāng)輸入電源中的一方斷電時(shí)，確保另外一方不對(duì)斷電方提供漏電壓。輸入電壓經(jīng)過DC/DC芯片TPS76030變換后，產(chǎn)生3V電壓(com_3v)，對(duì)MCU和晶體電路進(jìn)行供電。其余電路部分分別由外部輸入的3.3V和5V供電。

四、系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要分三部分：MCU的UASRT1口配置為UART模塊，進(jìn)行GPS串行數(shù)據(jù)的接收和組織；MCU的TIMERA和TIMERB進(jìn)行有效時(shí)間數(shù)據(jù)的加載和守時(shí)；MCU的UASRT0口配置為SPI模塊，采用三線SPI的主機(jī)模式，與MCP2515進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)CAN總線系統(tǒng)的搭建。

1.GPS串行數(shù)據(jù)的接收

本部分由一個(gè)狀態(tài)機(jī)控制，為了簡化設(shè)計(jì)，共分為3個(gè)狀態(tài){同步頭狀態(tài)，命令頭狀態(tài)，GPS數(shù)據(jù)保存、分析狀態(tài)}，分別對(duì)應(yīng)于：

(1)缺省狀態(tài)：同步頭“$”搜索、捕獲狀態(tài)。

(2)語句命令頭“GPRMC”搜索、捕獲狀態(tài)。

(3)GPS數(shù)據(jù)信息的保存和分析狀態(tài)。

(4)即回到狀態(tài)1，重新進(jìn)入同步頭“$”搜索、捕獲狀態(tài)。

詳細(xì)數(shù)據(jù)處理流程見圖3：

2.守時(shí)模塊的軟件設(shè)計(jì)

全局變量的使用如下：hour、minute、second、day、month、year，分別作為時(shí)、分、秒、日、月、年的計(jì)數(shù)單元。cnt3125為計(jì)320us的計(jì)數(shù)單元，計(jì)3125次即為1秒。數(shù)組gps_data[55]，為接收GPS數(shù)據(jù)的緩存。data_to_timerA，數(shù)據(jù)是否已經(jīng)加載完畢的標(biāo)志。gps_flag，作為GPS數(shù)據(jù)是否有效的標(biāo)志。

主程序中，當(dāng)GPS數(shù)據(jù)有效標(biāo)志gps_flag=‘1’時(shí)，把gps_data[55]對(duì)應(yīng)單元中的時(shí)間數(shù)據(jù)由ASCII碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并進(jìn)行“時(shí)”數(shù)據(jù)的“+8”處理后，分別加載到hour、minute、second、day、month、year中。令data_to_timerA=‘1’，通知TimerA，數(shù)據(jù)已成功加載到守時(shí)計(jì)數(shù)單元。同時(shí)，打開TimerB，進(jìn)行秒輸入間隔超過1秒的超時(shí)判斷。

使用了3個(gè)中斷：定時(shí)器TimerA和TimerB中斷，還有GPS秒輸入信號(hào)中斷。

TimerA中斷主要是完成模塊守時(shí)，并實(shí)時(shí)產(chǎn)生秒輸出信號(hào)。

TimerB中斷是完成GPS秒輸入信號(hào)間隔大于1秒的處理。當(dāng)秒間隔超過1秒時(shí)，令data_to_timerA=‘0’，清除GPS有效數(shù)據(jù)加載標(biāo)志。

GPS秒輸入信號(hào)中斷，當(dāng)data_to_timerA=‘1’時(shí)，對(duì)cnt3125計(jì)數(shù)單元清零，清除timerA計(jì)數(shù)初值，然后啟動(dòng)timerA，進(jìn)行“增計(jì)數(shù)”，同時(shí)產(chǎn)生秒輸出信號(hào)，最后令data_to_timerA=‘0’。

GPS數(shù)據(jù)與秒輸入信號(hào)共有4種可能的情形：

(1)GPS數(shù)據(jù)有效，GPS秒輸入有效，見圖4：

(2)GPS數(shù)據(jù)有效，GPS秒輸入無效，見圖5：

(3)GPS數(shù)據(jù)無效，GPS秒輸入無效，見圖6：

(4)GPS數(shù)據(jù)無效，GPS秒信號(hào)輸入有效：其具體處理同第3種情形，即TimerA持續(xù)“開”，進(jìn)行基本秒單元的計(jì)時(shí)和時(shí)、分、日、月、年單元的計(jì)數(shù)守時(shí)。同時(shí)實(shí)時(shí)產(chǎn)生GPS秒輸出信號(hào)。TimerB一直關(guān)閉，不工作。

3.CAN總線部分的軟件設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

圖2 系統(tǒng)電源輸入及電源切換電路

圖3 UART1接收中斷數(shù)據(jù)處理流程圖

MCU通過SPI總線與MCP2515進(jìn)行接口，其數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)為1.6Mbps。MCU通過SPI的“串口發(fā)送中斷”來對(duì)MCP2515進(jìn)行寫操作，通過“查詢”的方式來獲得MCP2515的狀態(tài)信息以及數(shù)據(jù)信息。本系統(tǒng)中，CAN數(shù)據(jù)速率設(shè)置為1Mbps。

MCU對(duì)MCP2515的數(shù)據(jù)接收：當(dāng)MCP2515的接收緩沖器中接收滿CAN數(shù)據(jù)時(shí)，在MCP2515的/INT管腳產(chǎn)生中斷信號(hào)，通過MCU的I/O口中斷來得知CAN數(shù)據(jù)已接收好，即時(shí)把CAN數(shù)據(jù)接收到MCU。

MCU對(duì)MCP2515的數(shù)據(jù)發(fā)送：只需要被發(fā)送的信息幀傳送到CAN的發(fā)送緩沖器，然后傳送一條“請(qǐng)求發(fā)送”指令，啟動(dòng)數(shù)據(jù)的發(fā)送。

該模塊通信軟件由3部分組成：MCP2515初始化、CAN數(shù)據(jù)接收、CAN數(shù)據(jù)發(fā)送。

圖4 GPS數(shù)據(jù)有效，GPS秒輸入有效

圖5 GPS數(shù)據(jù)有效，GPS秒輸入無效

圖6 GPS數(shù)據(jù)無效，GPS秒輸入無效

圖7 CAN數(shù)據(jù)接收流程圖

圖8 CAN數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

(1)MCP2515的初始化：

主要完成CAN的通信速率設(shè)置、接收寄存器設(shè)置、ID屏蔽寄存器和ID過濾寄存器設(shè)置以及CAN收/發(fā)中斷功能的設(shè)置。MCU對(duì)MCP2515所有寄存器的操作，都必須通過SPI接口，用MCP2515內(nèi)置的讀寫命令來完成。

因?yàn)镸CP2515初始化完成后，默認(rèn)處于“配置”模式，所以需要在初始化完成后，將其置為“正常”模式，否則MCP2515將一直停留于“配置”模式，而無法正常工作。

(2)CAN數(shù)據(jù)的接收：

MCU調(diào)用函數(shù)ReceiveMsg（），功能為：驗(yàn)收、濾波正確之后，收到的信息自動(dòng)存放在MCP2515的接收緩沖中，由MCP2515產(chǎn)生中斷，通知MCU進(jìn)行CAN數(shù)據(jù)的接收和后續(xù)處理。其詳細(xì)流程見圖7：

(3)CAN數(shù)據(jù)的發(fā)送：

MCU組織好要發(fā)送到CAN總線的數(shù)據(jù)后，發(fā)送一條“讀狀態(tài)”命令，來判斷MCP2515把前面一條報(bào)文是否已發(fā)送完畢。若前一條報(bào)文已發(fā)送完成，則調(diào)用發(fā)送函數(shù)SendMsg()，功能為：把待發(fā)送數(shù)據(jù)裝載到MCP2515的數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖，把待發(fā)數(shù)據(jù)的長度DLC、報(bào)文發(fā)送優(yōu)先級(jí)、相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)ID信息依次裝載到MCP2515的對(duì)應(yīng)寄存器后，最后發(fā)送一條“數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求”命令，來啟動(dòng)數(shù)據(jù)向CAN總線的發(fā)送。

具體的數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖見圖8：

4.守時(shí)時(shí)間數(shù)據(jù)與CAN總線的數(shù)據(jù)交互

MCU的主程序中，檢測到can_flag=‘1’，就轉(zhuǎn)而進(jìn)行已接收CAN數(shù)據(jù)的分析。當(dāng)發(fā)現(xiàn)CAN總線傳來的命令是要求守時(shí)模塊進(jìn)行時(shí)間傳輸時(shí)，立即組織相應(yīng)的時(shí)間數(shù)據(jù)，并通過CAN總線發(fā)送出去。

五、結(jié)束語

經(jīng)實(shí)踐證明，該系統(tǒng)能很好的完成GPS OEM板數(shù)據(jù)的接收、超低功耗MCU的軟件守時(shí)以及與CAN總線的數(shù)據(jù)交互工作。軟件全部采用C語言進(jìn)行編寫，具有較強(qiáng)的通用性、擴(kuò)展性和可移植性。

[1]秦龍.MSP430單片機(jī)C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)實(shí)例精講[M].電子工業(yè)出版社,2006.

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[4]王繼國.CAN總線控制器MCP2515的原理及應(yīng)用[J].電測與儀表,2004.

王維維（1980—），男，陜西人，2002年畢業(yè)于武漢大學(xué)，主要從事電子信息方面工作。

昌暢（1987—），男，重慶人，2009年畢業(yè)于四川大學(xué)，主要從事電子信息方面工作。

馮碩（1984—），男，四川人，2007年畢業(yè)于電子科技大學(xué)，主要從事電子信息方面工作。