用MSP430F149实现GPS时间数据处理及CAN总线通信系统

时间：2024-09-03

四川九洲电器集团公司王维维昌畅冯硕

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本文介绍一种使用TI的16位超低功耗单片机MSP430F149来接收GPS OEM板的时间数据，进行守时处理，并把实时时间数据通过CAN总线来对外传输。其中，CAN总线是利用MSP430F149单片机和独立CAN控制器MCP2515来实现的。

MSP430F149；GPS数据；CAN总线；MCP2515

一、引言

TI的MSP430系列单片机是一种16位单片机。由于它集成度高、外围设备丰富、超低功耗等优点，因此在许多领域内得到了广泛的应用。本设计中所涉及的MSP430F149功能模块的利用：2个串行通信接口(USART0/1)、2个16位的定时器(TimerA/B)、I/O口的一般I/O功能和P1和P2口的I/O中断功能。

二、CAN总线简介

CAN总线是一种串行数据通信协议，其通信接口集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对数据的成帧处理。CAN总线支持全双工通信，采用对通信数据块编码的方式，可使网络内节点个数在理论上不受限制，还可使不同的节点同时接收到相同的数据。CAN总线以其可靠性高、通信速率快、稳定性好、抗干扰能力强等特点，成为工控领域中最佳的选择。

三、系统硬件设计框图

该系统硬件主要由以下几部分组成：GPS OEM板，MCU为TI的MSP430F149，CAN总线控制器为MicroChip公司的MCP2515，CAN收发器为PHILIPS的PCA82C250，以及电源输入与电源切换电路。具体见图1：

1.GPS OEM板性能与GPRMC语句

本文所采用GPS OEM板，其输出串行数据格式为：波特率9600，无校验、8个数据位、1个停止位。输出信息设置为符合NMEA0183 VER2.0协议的ASCII码。输出语句为GPRMC语句，其具体数据格式为：

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

其中，“$”表示串头；GP为标识符；RMC表示语句名；<1>,<2>,….,<12>为输出语句的数据字段；“*”表示串尾；hh代表“$”和“*”之间所有字符代码的校验和。所有的语句都必须以结束，即ASCII字符“回车”和“换行”。<1>表示UTC时间，格式为“hhmmss（时分秒）”，实际应用中必须对“时”数据进行加8处理，转化为标准的北京时间。<2>代表定位状态有效(“A”)或无效(“V”)。<9>为UTC日期，格式为“ddmmyy(日月年)”。

该GPS OEM板的串行数据输出管脚为标准CMOS逻辑电平，故可以直接与单片机的串行数据接收管脚连接，而不需另加RS-232电平转换芯片进行逻辑电平的转换。

2.MCP2515性能简介

完全支持CAN V2.0B技术规范，能收、发标准数据帧以及扩展数据帧，最高通信速率为1Mb/s；

两个接收缓冲器，三个发送缓冲器，能对接收帧进行屏蔽、过滤，且优先级可编程设定。

具有高速SPI接口(10MHz)。

有灵活的中断管理功能，方便数据的组织和信息的管理。

上述这些特性，使得MCU对于CAN总线的操作变得更方便、高效。

更多关于MCP2515芯片的描述，详见其数据手册，在此不做详谈。

3.电源输入及电源切换电路

由于本系统要接收GPS数据，并用MCU进行守时，守时阶段由电池对MCU和晶体电路进行供电，MCP2515、GPS OEM板和PCA82C250不工作。

非守时阶段，即系统正常工作时，所有功能模块均由外部电源供电，电池不工作。

电源切换电路的具体实现如图2：其中D1、D2为低压降的二极管。1K阻值的R1，其作用是当输入电源中的一方断电时，确保另外一方不对断电方提供漏电压。输入电压经过DC/DC芯片TPS76030变换后，产生3V电压(com_3v)，对MCU和晶体电路进行供电。其余电路部分分别由外部输入的3.3V和5V供电。

四、系统软件模块设计

系统软件的设计主要分三部分：MCU的UASRT1口配置为UART模块，进行GPS串行数据的接收和组织；MCU的TIMERA和TIMERB进行有效时间数据的加载和守时；MCU的UASRT0口配置为SPI模块，采用三线SPI的主机模式，与MCP2515进行数据交互，实现CAN总线系统的搭建。

1.GPS串行数据的接收

本部分由一个状态机控制，为了简化设计，共分为3个状态{同步头状态，命令头状态，GPS数据保存、分析状态}，分别对应于：

(1)缺省状态：同步头“$”搜索、捕获状态。

(2)语句命令头“GPRMC”搜索、捕获状态。

(3)GPS数据信息的保存和分析状态。

(4)即回到状态1，重新进入同步头“$”搜索、捕获状态。

详细数据处理流程见图3：

2.守时模块的软件设计

全局变量的使用如下：hour、minute、second、day、month、year，分别作为时、分、秒、日、月、年的计数单元。cnt3125为计320us的计数单元，计3125次即为1秒。数组gps_data[55]，为接收GPS数据的缓存。data_to_timerA，数据是否已经加载完毕的标志。gps_flag，作为GPS数据是否有效的标志。

主程序中，当GPS数据有效标志gps_flag=‘1’时，把gps_data[55]对应单元中的时间数据由ASCII码转换为二进制数据，并进行“时”数据的“+8”处理后，分别加载到hour、minute、second、day、month、year中。令data_to_timerA=‘1’，通知TimerA，数据已成功加载到守时计数单元。同时，打开TimerB，进行秒输入间隔超过1秒的超时判断。

使用了3个中断：定时器TimerA和TimerB中断，还有GPS秒输入信号中断。

TimerA中断主要是完成模块守时，并实时产生秒输出信号。

TimerB中断是完成GPS秒输入信号间隔大于1秒的处理。当秒间隔超过1秒时，令data_to_timerA=‘0’，清除GPS有效数据加载标志。

GPS秒输入信号中断，当data_to_timerA=‘1’时，对cnt3125计数单元清零，清除timerA计数初值，然后启动timerA，进行“增计数”，同时产生秒输出信号，最后令data_to_timerA=‘0’。

GPS数据与秒输入信号共有4种可能的情形：

(1)GPS数据有效，GPS秒输入有效，见图4：

(2)GPS数据有效，GPS秒输入无效，见图5：

(3)GPS数据无效，GPS秒输入无效，见图6：

(4)GPS数据无效，GPS秒信号输入有效：其具体处理同第3种情形，即TimerA持续“开”，进行基本秒单元的计时和时、分、日、月、年单元的计数守时。同时实时产生GPS秒输出信号。TimerB一直关闭，不工作。

3.CAN总线部分的软件设计

图1 系统硬件设计框图

图2 系统电源输入及电源切换电路

图3 UART1接收中断数据处理流程图

MCU通过SPI总线与MCP2515进行接口，其数据传输速率设为1.6Mbps。MCU通过SPI的“串口发送中断”来对MCP2515进行写操作，通过“查询”的方式来获得MCP2515的状态信息以及数据信息。本系统中，CAN数据速率设置为1Mbps。

MCU对MCP2515的数据接收：当MCP2515的接收缓冲器中接收满CAN数据时，在MCP2515的/INT管脚产生中断信号，通过MCU的I/O口中断来得知CAN数据已接收好，即时把CAN数据接收到MCU。

MCU对MCP2515的数据发送：只需要被发送的信息帧传送到CAN的发送缓冲器，然后传送一条“请求发送”指令，启动数据的发送。

该模块通信软件由3部分组成：MCP2515初始化、CAN数据接收、CAN数据发送。

图4 GPS数据有效，GPS秒输入有效

图5 GPS数据有效，GPS秒输入无效

图6 GPS数据无效，GPS秒输入无效

图7 CAN数据接收流程图

图8 CAN数据发送流程图

(1)MCP2515的初始化：

主要完成CAN的通信速率设置、接收寄存器设置、ID屏蔽寄存器和ID过滤寄存器设置以及CAN收/发中断功能的设置。MCU对MCP2515所有寄存器的操作，都必须通过SPI接口，用MCP2515内置的读写命令来完成。

因为MCP2515初始化完成后，默认处于“配置”模式，所以需要在初始化完成后，将其置为“正常”模式，否则MCP2515将一直停留于“配置”模式，而无法正常工作。

(2)CAN数据的接收：

MCU调用函数ReceiveMsg（），功能为：验收、滤波正确之后，收到的信息自动存放在MCP2515的接收缓冲中，由MCP2515产生中断，通知MCU进行CAN数据的接收和后续处理。其详细流程见图7：

(3)CAN数据的发送：

MCU组织好要发送到CAN总线的数据后，发送一条“读状态”命令，来判断MCP2515把前面一条报文是否已发送完毕。若前一条报文已发送完成，则调用发送函数SendMsg()，功能为：把待发送数据装载到MCP2515的数据发送缓冲，把待发数据的长度DLC、报文发送优先级、相应的节点ID信息依次装载到MCP2515的对应寄存器后，最后发送一条“数据发送请求”命令，来启动数据向CAN总线的发送。

具体的数据发送流程图见图8：