CN113849436A - 一种兼容多种串行协议的can数据转换芯片和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种兼容多种串行协议的CAN数据转换芯片包括CAN收发模块、CAN协议控制模块、数据缓冲模块、接口管理逻辑单元、串口驱动模块；本发明还公开了一种使用上述芯片的兼容多种串行协议的CAN数据转换方法；本发明的技术方案在CAN总线数据转换中无需MCU控制，也无需设计多种版本程序，通过远程CAN数据包即可设置内部寄存器控制芯片工作状态；降低了电路设计成本，将CAN收发器与CAN控制器的功能集成到一颗芯片中的同时兼容I2C，SPI，USART三种串行接口。

Description

一种兼容多种串行协议的CAN数据转换芯片和方法
技术领域
本发明属于信号转换收发技术领域，具体涉及一种兼容多种串行协议的CAN数据转换芯片与方法。
背景技术
现有的CAN收发电路两种形式，第一种CAN收发器芯片+CAN控制芯片+微控制器(MCU)，这种方式是微控制器(MCU)本身不带CAN控制器外设的情况。第二种CAN收发器芯片+微控制器(MCU)，这种方式是微控制器(MCU)本身带CAN控制器的情况。早些年微控制器(MCU) 集成度低，自身外设单一，所以在CAN收发电路种一定要包含CAN收发芯片和CAN控制器芯片。随着微控制器(MCU)集成度越来越高，其外设也趋于丰富，包含CAN控制器外设的微控制器(MCU)只要+CAN收发器芯片即可组成CAN收发电路。市面上普通微控制器(MCU)一般不带CAN控制器外设，只有中高端的微控制器(MCU)才会带CAN控制器外设。那么中高端意味着成本的增加和PCB线路板面积增大，如果只是单纯的CAN收发电路应用，那么用一颗中高端的微控制器(MCU)，意味着浪费了微控制器(MCU)本身的其他很多资源，比如ADC，SPI，DMA等。
实际CAN总线的应用中，往往就是只需要把相关数据通过CAN收发电路发到总线上去。例如数字压力传感器，压力值是通过I2C输出，一般如果要采集一个压力传感器的值，并且把值送到CAN总线上，方法是通过MCU的I2C接口读入压力值，然后通过内部转换后，再把数据发送到CAN收发电路中去，由CAN收发电路把数据发到CAN总线中去。为题在于，一个中高端的MCU，如果只是采集了数据，再把数据发送到CAN总线中去，起到一个数据透传的作用，那么对其本身的资源是一个很大的浪费，同时增加了BOM成本，以及增大了PCB的面积。如果同时采集10个压力传感器的数据，那么同样的浪费，同样的成本增加就要乘以10。在实际的应用中，CAN总线应用在大型机械，汽车，社区管理等方面，其涉及到的数字传感前端，或者控制模块数量都是很多的，每个CAN节点都面临着上述的资源浪费和BOM成本增加的压力。其次在实际的应用中，不光是数字压力传感器，还包含其他数字传感器，其他数字传感器也有SPI输出，或者串口(USART)输出。那么针对不同的数字传感器前端设计方案的时候就要配套不同的电路以及固件程序，甚至还要选型不同的MCU来满足应用需求。
发明内容
为了解决现有技术的缺陷，本发明提供了一种兼容多种串行协议的CAN数据转换芯片和方法。
本发明的第一方面提供了一种兼容多种串行协议的CAN数据转换芯片，包括：
CAN收发模块，用于将CAN总线上收到的CAN差分信号转换成内部TTL电平发送给CAN协议控制模块或者是接收CAN协议控制模块上的TTL信号并转换成CAN差分信号送到CAN总线上；
CAN协议控制模块，用于接收CAN收发模块发送的数据，进行解析、重新组包发送给数据缓冲模块；或接收数据缓冲模块数据，重组后发送给CAN收发模块；
数据缓冲模块，用于CAN协议控制模块与接口管理逻辑单元间的数据重组与发送；
接口管理逻辑单元，用于匹配对应串口的工作模式，并向数据缓冲模块收发数据；
串口驱动模块，用于传输对应串口的数据；
内部时钟模块，为其他模块提供时钟信号。
优选的，所述CAN收发模块与外部供电电路连接，所述外部供电电路的电压为3.3V至5V。
优选的，所述CAN协议控制模块连接有引脚AO～A4，由引脚A0～A4的电平确定CAN总线数据处理的优先级。
优选的，所述CAN协议控制模块根据由接收到的CAN协议数据的数据段确定工作模式，所述工作模式包括设置命令模式与数据收发模式。
优选的，所述数据缓冲模块包括接收数据缓冲模块和发送数据缓冲模块；所述接收数据缓冲模块接收接口管理逻辑单元的数据并进行数据帧重组后发送给CAN协议控制模块；所述发送数据缓冲模块接受CAN协议控制模块数据并发送给接口管理逻辑单元。
优选的，所述接口逻辑管理单元连接有引脚M1、M0，并根据M1、M0引脚的电平设置连接对应协议的串口驱动模块。
优选的，所述串口驱动模块包括I2C驱动模块、SPI驱动模块、USART驱动模块。
本发明的第二方面提供了一种是用上述芯片的兼容多种串行协议的CAN数据转换方法，包括CAN协议到I2C/SPI/USART协议的第一数据转换过程及从I2C/SPI/USART协议到CAN协议的第二数据转换过程，其特征在于：
所述第一数据转换过程包括设定接口管理逻辑单元工作模式，设定CAN协议控制模块工作模式，CAN总线数据经由CAN收发模块与CAN协议控制模块处理后发送至数据缓冲模块，并由接口逻辑单元写入到对应串口工作模式下的数据寄存器中，通过对应驱动模块发送至对应串口；
所述第二数据转换过程包括设定接口管理逻辑单位工作模式，设定CAN协议控制模块工作模式，逻辑管理单元读取串口驱动模块发送的对应串口数据，并写入至相应寄存器中，由数据缓冲模块读取寄存器中数据并发送至CAN协议控制模块，经处理后由CAN收发模块发送给CAN总线；
所述设定CAN协议控制模块工作模式的方法为重新定义CAN协议数据的仲裁段与数据段并对应CAN协议控制模块不同工作模式，由CAN总线发送设置命令数据帧至CAN协议控制模块并解析仲裁段与数据段，确定相应工作模式。
优选的，所述第一数据转换过程具体包括如下步骤：
S11.设置MOM1引脚电平，设定接口逻辑管理单元工作模式；
S12.设置A0～A4管脚的电平，确定CAN总线数据的处理优先级；
S13.CAN总线发送设置命令数据帧，由CAN收发模块将差分信号转换为TTL电平发送给 CAN协议控制模块，CAN协议控制模块解析数据帧的数据段并确定工作模式，即从CAN总线透传数据到串行端口模式；
S14.发送数据发送模式的数据，由CAN收发模块将差分信号转换为TTL电平发送给CAN 协议控制模块，CAN协议控制模块将数据发送给发送数据缓冲模块，数据缓冲模块将数据写入数据寄存器中，接口逻辑单元读取数据缓冲模块数据并依次写入到对应串行模式下的数据寄存器中，由对应驱动模块向对应串口发出数据；
优选的，所述第二数据转换过程具体包括如下步骤：
S21.设置MOM1引脚电平，设定接口逻辑管理单元工作模式；
S22.设置A0～A4管脚的电平，确定CAN总线数据的处理优先级；
S23.CAN总线发送设置命令数据帧，由CAN收发模块将差分信号转换为TTL电平发送给 CAN协议控制模块，CAN协议控制模块解析数据帧的数据段并确定工作模式，即从串行端口接收数据透传到CAN总线模式；
S24.接口管理逻辑单元接受串口驱动模块发送的数据并写入对应的数据寄存器中，数据缓冲模块读取对应数据并发送给CAN协议控制模块进行数据重新组包并填充加载位，经由CAN 收发模块把TTL电平转换成CAN线的差分电平后，发送给CAN总线。
针对现有技术在CAN总线实际应用中的不足，本发明提供了一种兼容多种串行协议的CAN 数据转换芯片和方法，有益效果在于：兼容I2C，SPI，USART三种串行接口，完成不同串行接口数据与CAN协议数据间转换；面对不同类型的数字传感器，只要修改部分走线，无需变更PCB的布局布线；无需编写程序，通过远程CAN数据包设置内部寄存器控制芯片工作状态，芯片内部完成数据转换并且透传到CAN总线上，通过内部寄存器设置工作模式及参数；集成化程度高，将CAN收发器与CAN控制器的功能集成到一颗芯片中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为芯片内部模块示意图；
图2为芯片封装后管脚示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
参见图1所示，本发明公开的一种兼容多种串行协议的CAN数据转换芯片，包括：
CAN收发模块，用于将CAN总线上收到的CAN差分信号转换成内部TTL电平发送给CAN协议控制模块或者是接收CAN协议控制模块上的TTL信号并转换成CAN差分信号送到CAN总线上，CAN收发模块连接的外部管脚包括CANV、CANL、VCC，其中CANV和CANL管脚用于连接CAN总线的CAN_H和CAN_L数据线,VCC管脚与外部供电电路相连，所述供电电路的电压为3.3V～5V。
CAN协议控制模块，用于接收CAN收发模块发送的数据，进行解析、重新组包发送给数据缓冲模块；或接收数据缓冲模块数据，重组后发送给CAN收发模块；CAN协议控制模块连接有引脚AO～A4，由引脚A0～A4的电平确定CAN总线数据处理的优先级，当总线传输数据帧的仲裁段高5位与A0～A4对应时，CAN协议控制模块将优先处理对应数据；CAN协议控制模块的工作模式由CAN总线发送的设置命令数据帧中数据段数据决定。
数据缓冲模块，用于CAN协议控制模块与接口管理逻辑单元间的数据重组与发送。
接口管理逻辑单元，用于匹配对应串口的工作模式，并向数据缓冲模块收发数据；接口管理逻辑单元连接有引脚M0、M1，并根据M1、M0引脚的电平设置连接对应协议的串口驱动模块。
串口驱动模块，用于传输接口管理逻辑单元工作模式对应协议的数据，串口驱动模块包括I2C驱动模块、SPI驱动模块、USART驱动模块。
内部时钟模块，为其他模块提供时钟信号，时钟信号频率为16MHz。
图2为芯片封装管脚示意图，各管脚对应功能如下表所示：
Figure RE-GDA0003322099430000051
一种是用上述具体实施例中芯片的兼容多种串行协议的CAN数据转换方法，包括CAN协议到I2C/SPI/USART协议的第一数据转换过程及从I2C/SPI/USART协议到CAN协议的第二数据转换过程：
本实施例中所述第一数据转换过程包括设定接口管理逻辑单元工作模式，设定CAN协议控制模块工作模式，CAN总线数据经由CAN收发模块与CAN协议控制模块处理后发送至数据缓冲模块，并由接口逻辑单元写入到对应串口工作模式下的数据寄存器中，通过对应驱动模块发送至对应串口；
本实施例中所述第二数据转换过程包括设定接口管理逻辑单位工作模式，设定CAN协议控制模块工作模式，逻辑管理单元读取串口驱动模块发送的对应串口数据，并写入至相应寄存器中，由数据缓冲模块读取寄存器中数据并发送至CAN协议控制模块，经处理后由CAN收发模块发送给CAN总线；
本实施例中所述设定CAN协议控制模块工作模式的方法为重新定义CAN协议数据的仲裁段与数据段并对应CAN协议控制模块不同工作模式，由CAN总线发送设置命令数据帧至CAN 协议控制模块并解析仲裁段与数据段，确定相应工作模式。
本实施例中芯片在发送数据到CAN总线上的时候，CAN协议控制模块会根据A4～A0管脚上的高低电平，在仲裁段的高5位即06～10bit位依次加载A0～A4的管脚数据，剩下的00～05bit 位填充数据1，如下表所示，若ID加载位从高到底A4A3A2A1A0为00111，那么CAN协议控制模块将把仲裁段的数据设置为00111111111；此时如果CAN总线要发送相关的数据给芯片，发送端设备只需把仲裁段高5位设置成00111，低6位不要全为1，例如00111111101，这样可以取得CAN总线的发送优先权，芯片接收数据的时候，CAN协议控制模块只要解析到仲裁段高五在位和ID加载位相同，即和A0～A4的管脚数据电平对应上，那么芯片就认为这帧数据是发给自己的，接收并且进行接下来的数据包解析和处理。
Figure RE-GDA0003322099430000061
本实施例中芯片的CAN协议控制模块工作模式由CAN总线数据帧中的数据段决定，数据段Bit00～Bit07是主要是区分CAN总线上发来的数据是让芯片进入到设置命令模式还是数据收发模式。Bit00＝1则芯片进入到设置命令模式，Bit08～Bit63为设置命令数据。Bit00＝0则芯片进入到数据收发模式，Bit16～Bit63为需要收发的数据，Bit05～Bit7规定了命令Byte (1Byte＝8bit)数量。所有命令Bit位都会依次写到相关的寄存器里面。数据段各位新定义与CAN协议控制模块的对应功能如下表所示：
Figure RE-GDA0003322099430000062
Figure RE-GDA0003322099430000063
Figure RE-GDA0003322099430000071
Figure RE-GDA0003322099430000081
在设置命令模式下，如下表所示，Bit16～Bit63包含3个数据段，分别为控制寄存器1 数据段，控制寄存器2数据段，状态寄存器1数据段。接口管理逻辑单元会把寄存器1数据段，控制寄存器2数据段，状态寄存器1数据段的数据依次写入到在对应串行模式下的寄存器中完成对对应串行模式的设置；或者会把设置数据从寄存器中依次读出来，写到设置命令模式下数据段的寄存器1数据段，控制寄存器2数据段，状态寄存器1数据段的Bit位里，然后发送给接收数据缓冲区，最终发送到CAN总线上。
Figure RE-GDA0003322099430000082
在数据发送模式下，Bit16～Bit63包含3个数据段，分别为数据寄存器1数据段，数据寄存器2数据段，数据寄存器3数据段。接口管理逻辑单元会把数据寄存器1数据段，数据寄存器2数据段，数据寄存器3数据段的数据依次写入到在对应串行模式下的数据寄存器中，然后接口管理逻辑单元会把数据寄存器中的数据发送给对应串行模式下的驱动模块发送给前端模块。
在数据接收模式下，对应串行模式下的驱动模块接收到前端模块的数据，把这些数据发送给接口管理逻辑单元，接口管理逻辑单元依次把数据写入到数据寄存器中，等待接收完成后，接口管理逻辑单元会把数据寄存器中的数据依次读出到数据寄存器1数据段，数据寄存器2数据段，数据寄存器3数据段中，并发送给接收数据缓冲区，最终发送到CAN总线上。
Figure RE-GDA0003322099430000083
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (10)

1.一种兼容多种串行协议的CAN数据转换芯片，其特征在于包括：
CAN收发模块，用于将CAN总线上收到的CAN差分信号转换成内部TTL电平发送给CAN协议控制模块或者是接收CAN协议控制模块上的TTL信号并转换成CAN差分信号送到CAN总线上；
CAN协议控制模块，用于接收CAN收发模块发送的数据，进行解析、重新组包发送给数据缓冲模块；或接收数据缓冲模块数据，重组后发送给CAN收发模块；
数据缓冲模块，用于CAN协议控制模块与接口管理逻辑单元间的数据重组与发送；
接口管理逻辑单元，用于匹配对应串口的工作模式，并向数据缓冲模块收发数据；
串口驱动模块，用于传输对应串口的数据；
内部时钟模块，为其他模块提供时钟信号。
2.根据权利要求1所述的一种兼容多种串行协议的CAN数据转换芯片，其特征在于：所述CAN收发模块与外部供电电路连接，所述外部供电电路的电压为3.3V至5V。
3.根据权利要求1所述的一种兼容多种串行协议的CAN数据转换芯片，其特征在于：所述CAN协议控制模块连接有引脚AO～A4，由引脚A0～A4的电平确定CAN总线数据处理的优先级。
4.根据权利要求1所述的一种兼容多种串行协议的CAN数据转换芯片，其特征在于：所述CAN协议控制模块根据由接收到的CAN协议数据的数据段确定工作模式，所述工作模式包括设置命令模式与数据收发模式。
5.根据权利要求1所述的一种兼容多种串行协议的CAN数据转换芯片，其特征在于：所述数据缓冲模块包括接收数据缓冲模块和发送数据缓冲模块；所述接收数据缓冲模块接收接口管理逻辑单元的数据并进行数据帧重组后发送给CAN协议控制模块；所述发送数据缓冲模块接受CAN协议控制模块数据并发送给接口管理逻辑单元。
6.根据权利要求1所述的一种兼容多种串行协议的CAN数据转换芯片，其特征在于：所述接口逻辑管理单元连接有引脚M1、M0，并根据M1、M0引脚的电平设置连接对应协议的串口驱动模块。
7.根据权利要求1所述的一种兼容多种串行协议的CAN数据转换芯片，其特征在于：所述串口驱动模块包括I2C驱动模块、SPI驱动模块、USART驱动模块。
8.一种使用权利要求1至7任意一项所述芯片的兼容多种串行协议的CAN数据转换方法，包括CAN协议到I2C/SPI/USART协议的第一数据转换过程及从I2C/SPI/USART协议到CAN协议的第二数据转换过程，其特征在于：
所述第一数据转换过程包括设定接口管理逻辑单元工作模式，设定CAN协议控制模块工作模式，CAN总线数据经由CAN收发模块与CAN协议控制模块处理后发送至数据缓冲模块，并由接口逻辑单元写入到对应串口工作模式下的数据寄存器中，通过对应驱动模块发送至对应串口；
所述第二数据转换过程包括设定接口管理逻辑单位工作模式，设定CAN协议控制模块工作模式，逻辑管理单元读取串口驱动模块发送的对应串口数据，并写入至相应寄存器中，由数据缓冲模块读取寄存器中数据并发送至CAN协议控制模块，经处理后由CAN收发模块发送给CAN总线；
所述设定CAN协议控制模块工作模式的方法为重新定义CAN协议数据的仲裁段与数据段并对应CAN协议控制模块不同工作模式，由CAN总线发送设置命令数据帧至CAN协议控制模块并解析仲裁段与数据段，确定相应工作模式。
9.根据权利要求8所述的一种兼容多种串行协议的CAN数据转换方法，其特征在于，
所述第一数据转换过程具体包括如下步骤：
S11.设置MOM1引脚电平，设定接口逻辑管理单元工作模式；
S12.设置A0～A4管脚的电平，确定CAN总线数据的处理优先级；
S13.CAN总线发送设置命令数据帧，由CAN收发模块将差分信号转换为TTL电平发送给CAN协议控制模块，CAN协议控制模块解析数据帧的数据段并确定工作模式，即从CAN总线透传数据到串行端口模式；
S14.发送数据发送模式的数据，由CAN收发模块将差分信号转换为TTL电平发送给CAN协议控制模块，CAN协议控制模块将数据发送给发送数据缓冲模块，数据缓冲模块将数据写入数据寄存器中，接口逻辑单元读取数据缓冲模块数据并依次写入到对应串行模式下的数据寄存器中，由对应驱动模块向对应串口发出数据。
10.根据权利要求8所述的一种兼容多种串行协议的CAN数据转换方法，其特征在于，
所述第二数据转换过程具体包括如下步骤：
S21.设置MOM1引脚电平，设定接口逻辑管理单元工作模式；
S22.设置A0～A4管脚的电平，确定CAN总线数据的处理优先级；
S23.CAN总线发送设置命令数据帧，由CAN收发模块将差分信号转换为TTL电平发送给CAN协议控制模块，CAN协议控制模块解析数据帧的数据段并确定工作模式，即从串行端口接收数据透传到CAN总线模式；
S24.接口管理逻辑单元接受串口驱动模块发送的数据并写入对应的数据寄存器中，数据缓冲模块读取对应数据并发送给CAN协议控制模块进行数据重新组包并填充加载位，经由CAN收发模块把TTL电平转换成CAN线的差分电平后，发送给CAN总线。
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