バックグラウンド

私は、以下の控えめなマイクロコントローラー仕様を必要とするプロジェクトを開発しています。

• 8個の12ビット、10kHz ADC
• 1kBのRAM
• 48-QFN以下のフットプリント
• 20kbpsのデイジーチェーン可能な耐ノイズおよびエラー修正通信プロトコル

信号処理の要件はかなり低く、ほとんどはシステムのマスタープロセッサにエクスポートできます。最初の3つの仕様は簡単に満たすことができ、2ドル未満で行うことができます。ただし、通信は非常に電気的にノイズの多い環境で行われるため、LINやI2Cなどのノイズの影響を受けやすいネットワークは存在しません。LINに対するもう1つの議論は、5Vまたは3.3Vですべてを実行したいということです。LINトランシーバーには12Vが必要なので、センサーボードごとに追加のレギュレーターまたはワイヤが必要になります。私は最初にこのタスクにCANを選択しました。ただし、CANコントローラーにはかなりのコストがかかるため、これをソフトウェアで実行できるかどうか興味があります。

CAN物理層

CAN仕様は、OSIネットワーク参照モデルのデータリンク層と物理層を定義しています。NXP TJA1040 / 50、Maxim MAX3058 / 59、Microchip MCP2551、TI SN65HVD1050などの多くの安価な8ピンIC が物理層を実装するために存在します。D / Aコンバーターまたはオペアンプで物理層を実装することは、不可能ではないにしても困難であるため、これらのICは1ドル程度の価値があり、コストがかかります。

CANデータリンク/プロトコルレイヤー

データリンクレイヤーの場合、一部のマイクロコントローラーは、基本的なUART、I2C、およびSPI通信レイヤーにCANプロトコルモジュールを追加します。ただし、これらは基本的なチップよりもかなり高価です。

CANプロトコルモジュールのコストの調査

この主張を実証するために、CANバージョンと非CANバージョンの人気のあるマイクロをいくつか紹介します。

• ATmega16-ATMEGA16M1（CAN付き）：$ 3.87、ATMEGA168A（CANなし）：$ 3.23
• dsPIC-DSPIC33FJ64MC802（CAN付き）：6.14ドル、DSPIC33FJ64GP202（CANなし）：$ 5.48
• PIC18-PIC18F2480（CAN付き）：6.80ドル、PIC18F24J10（CANなし）：2.10ドル
• Cortex-M3-STM32F103C4T6A（CAN付き）：$ 6.50、STM32F100C4T6B（CANなし）：$ 2.73

公平を期すために、同等のメモリサイズのマイクロコントローラのみを比較しましたが、多くの非CANバージョンは、より少ないメモリサイズでより少ないコストで利用できます。Microchip MCP2515のような外部CANコントローラーはほぼ2ドルなので、オプションがあればCANをマイクロコントローラーに統合する方が明らかに費用対効果が高くなります。

興味深いことに、ATmegaパーツは、Digikeyの在庫の中で最も安いCAN装備パーツです。

CANプロトコル層の機能

dsPICマイクロコントローラーにあるCANモジュールは次のことを行います。

CANバスモジュールは、プロトコルエンジンとメッセージのバッファリング/制御で構成されています。CANプロトコルエンジンは、CANバスでメッセージを送受信するためのすべての機能を処理します。メッセージは、最初に適切なデータレジスタをロードすることにより送信されます。ステータスとエラーは、適切なレジスタを読み取ることで確認できます。CANバスで検出されたメッセージはエラーがチェックされ、フィルターと照合されて受信レジスタの1つに受信および保存されるかどうかが確認されます。

これはソフトウェアでかなり実行可能と思われます。

質問

ソフトウェアプロトコルレイヤーを使用して、安価なUARTを備えたマイクロコントローラーとCANトランシーバーのみでCAN仕様を実装できますか？もしそうなら、オープンソースの実装は存在しますか？

または、CANトランシーバーをUARTで使用してカスタムプロトコルを実装できますか？シングルマスタートポロジでも構いません。カスタムプロトコルでは、調停を正しく行うことが難しいことを理解しています。

CANプロトコルをファームウェアに実装することは困難であり、正しくなるまで時間がかかると思います。良い考えではありません。

ただし、価格は高いです。私が調べたところ、QFNパッケージのdsPIC 33FJ64GP802は、1000個のマイクロチップダイレクトで3.68米ドルで販売されています。実際の生産量では価格は低くなります。

ハードウェアCAN周辺機器はあなたのためにいくつかの本当のことをします、そしてそれのための価格の増加はあなたが主張しているもののどこにもありません。

追加：

ファームウェアのルートを試してみようと決心しているように見えるので、ここに浮かぶ明らかな問題をいくつか紹介します。私にはまだ発生していない他の問題が発生する可能性が高いでしょう。

20 kbit / sでCANを実行したい場合。これはCANにとって非常に遅い速度で、少なくとも数十メートルで1Mbit / sに達します。1つのデータポイントを提供するために、NMEA 2000の船上信号規格は200 kbit / sでCANに階層化されており、これは大型船の一方の端からもう一方の端に移動することを意図しています。

必要なのはビットごとに1つの割り込みだけで、その割り込みで必要なことはすべて行えると考えるかもしれません。各CANビットタイムでいくつかのことが行われているため、これは機能しません。特に2つのことをサブビットレベルで行う必要があります。1つ目は衝突の検出で、2つ目はビットレートのオンザフライ調整です。

CANバスには、劣性と支配的な2つの信号状態があります。劣性は、何もバスを運転していないときに起こることです。両方のラインは、合計で60Ω引き寄せられます。MCP2551のような一般的なチップによって実装される通常のCANバスには、両端に120Ωのターミネーターが必要です。したがって、合計60Ωが2つの差動ラインを受動的に引き合わせます。支配的な状態は、両方のラインがアクティブに引き離されたときです。私が正しく覚えていれば、リセッシブ状態から約900mVです。基本的に、これはオープンコレクターバスに似ていますが、差動ペアで実装されている点が異なります。CANH-CANL <900mVの場合、バスはリセッシブ状態にあり、CANH-CANL> 900mVの場合、バスは支配的です。ドミナント状態は0、リセッシブ状態は1です。

ノードがバスに1を「書き込む」たびに（他のノードに送信する）、他のノードが0を書き込むかどうかを確認します。現在送信しているビットは1であり、他の誰かも送信していることを意味します。衝突は2人の送信者が同意しない場合にのみ重要であり、ルールは劣性状態を送信する送信者がメッセージを中止して中止することです。ドミナント状態を送信するノードは、これが発生したことすら知りません。これがCANバスでの調停の仕組みです。

CANバスの仲裁規則は、他の誰かが0を送信していないことを確認するために、1として送信しているすべてのビットを介してバスを途中で監視する必要があることを意味します。 、およびCANバス長の基本的な制限です。ビットレートが遅いほど、バスの一方の端からもう一方の端への最悪の場合の伝搬時間が長くなるため、バスを長くすることができます。このチェックは、バスを所有し、1ビットを送信していると思われる箇所ごとに実行する必要があります。

もう1つの問題は、ビットレートの調整です。バス上のすべてのノードは、ビットレートについて、RS-232よりも厳密に同意する必要があります。小さなクロック差が重大なエラーに蓄積するのを防ぐために、各ノードは公称より少し長いか短いビットを実行できる必要があります。ハードウェアでは、ビットレートの約9倍から20倍の速度でクロックを実行することでこれを実装します。この高速クロックのサイクルは、時間クォンタムと呼ばれます。新しいビットの始まりが、あなたが彼らがいるべきだと思う場所に関してさまようことを検出する方法があります。その後、ハードウェア実装は、再同期するために1つの時間のクォンタムを少し追加またはスキップします。期待されるビット時間と実際に測定されたビット時間の間の位相のわずかな差に調整できる限り、これを実装できる他の方法があります。

いずれにせよ、これらのメカニズムでは、さまざまな時間にさまざまなことを少し以内に行う必要があります。この種のタイミングは、ファームウェアで非常に扱いにくくなるか、バスの実行が非常に遅くなる必要があります。20 kbit / sのファームウェアで時間量子システムを実装するとします。ビットあたり最低9個のタイムクォンタムでは、180 kHzの割り込みが必要です。それは確かにdsPIC 33Fのようなもので可能ですが、プロセッサのかなりの部分を使い果たします。40 MHzの最大命令レートでは、割り込みごとに222命令サイクルが得られます。すべてのチェックを行うのにそれほど時間はかかりませんが、おそらく50〜100サイクル、つまりプロセッサの25〜50％がCANに使用され、実行中の他のすべてを先取りする必要があることを意味します。これにより、これらのプロセッサが頻繁に実行する多くのアプリケーションが妨げられ、スイッチング電源またはモータードライバーのパルスごとの制御のように。1つおきの割り込みでの50〜100サイクルのレイテンシは、このようなチップで行った多くのことの完全なショーストッパーになります。

だからあなたは何とかCANをするためにお金を使うつもりです。そのための専用のハードウェア周辺機器ではない場合、より大きなプロセッサを使用してかなりのファームウェアオーバーヘッドを処理し、他のすべての予測不能で起こりうる大きな割り込みレイテンシを処理します。

次に、事前のエンジニアリングがあります。CAN周辺機器は機能します。あなたのコメントから、この周辺機器の追加費用は0.56ドルであるようです。それは私にとってお買い得のようです。非常に大量の製品を入手していない限り、CANをファームウェアのみに実装するのにかかるかなりの時間と費用を取り戻すことはできません。ボリュームがこれほど高い場合、これまで述べてきた価格はとにかく現実的ではなく、CANハードウェアを追加するための差はより低くなります。

私はこれが意味をなさないと本当に思っています。

PIC18F25K80を使用します。DSPを搭載していませんが、量は約2ドルです。これは、あなたが言及したPIC18F2480のほぼ直接の代替品です。おそらくMicrochipから移植されたCCSコンパイラとCAN用のソフトウェアスタックを使用します。それは私が必要とし、試したすべてのものにうまく機能します。

私がこれを読んでいるのなら、UARTといくつかの賢いファームウェアだけを使用してCAN機能をビットバッシュしたいようです。私を信じてください、これは決して機能しません-CANまたはCANopenの複雑さに関する良いテキストを読むことをお勧めします。このルートを下ることで、探しているコストの節約を根絶できます。

CANモジュールを備えたマイクロコントローラーを使用して余分な2ドルを渡すか、Modbus over RS-485などのUARTと互換性のある別のプロトコルについて考えましたか？

また、PIC µCでCAN-Protocolをビットバンギングすることも考えています。EricMにご連絡ください。PIC18FまたはDSPicのコア周波数でどのビットレートが得られたか、少なくとも返信してください。THX！

一般的に：RS 485は主な問題の解決策ですが、そのプロトコルのすべてとして非全二重UART通信（ポイント2ポイント）でCAN（またはFlexRay）トランシーバーを使用することも可能です。 NRZコーディングを使用します。

しかし、UART / V24 / RS232では、全二重はほとんど詳細に考えずに使用されるため、アプリケーションのスーパーループまたはステートマシンに頭脳を置く必要があるかもしれません...

しかし、CANビットバンギングに戻ります：私は長年CANで働いていて、ビットバンギングの実装を見たことはありませんが、DSPicやARMなどの最新のµCで100kBitまでのビットタイミングで動作するはずです。 （80MHz以上のコアを持っている...）

少なくともリードバックのみが考慮される場合...送信は、100％のバス負荷に到達できないようにビット構造を準備する際のオーバーヘッドを意味しますが、CANでは65％を超えることはほとんどありません...