用MSP430F149實現GPS時間數據處理及CAN總線通信系統

四川九洲電器集團公司 王維維 昌 暢 馮 碩

用MSP430F149實現GPS時間數據處理及CAN總線通信系統

四川九洲電器集團公司 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MSP430F149來接收GPS OEM板的時間數據，進行守時處理，并把實時時間數據通過CAN總線來對外傳輸。其中，CAN總線是利用MSP430F149單片機和獨立CAN控制器MCP2515來實現的。

MSP430F149；GPS數據；CAN總線；MCP2515

一、引言

TI的MSP430系列單片機是一種16位單片機。由于它集成度高、外圍設備豐富、超低功耗等優點，因此在許多領域內得到了廣泛的應用。本設計中所涉及的MSP430F149功能模塊的利用：2個串行通信接口(USART0/1)、2個16位的定時器(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總線是一種串行數據通信協議，其通信接口集成了CAN協議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對數據的成幀處理。CAN總線支持全雙工通信，采用對通信數據塊編碼的方式，可使網絡內節點個數在理論上不受限制，還可使不同的節點同時接收到相同的數據。CAN總線以其可靠性高、通信速率快、穩定性好、抗干擾能力強等特點，成為工控領域中最佳的選擇。

三、系統硬件設計框圖

該系統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，其輸出串行數據格式為：波特率9600，無校驗、8個數據位、1個停止位。輸出信息設置為符合NMEA0183 VER2.0協議的ASCII碼。輸出語句為GPRMC語句，其具體數據格式為：

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

其中，“$”表示串頭；GP為標識符；RMC表示語句名；<1>,<2>,….,<12>為輸出語句的數據字段；“*”表示串尾；hh代表“$”和“*”之間所有字符代碼的校驗和。所有的語句都必須以結束，即ASCII字符“回車”和“換行”。<1>表示UTC時間，格式為“hhmmss（時分秒）”，實際應用中必須對“時”數據進行加8處理，轉化為標準的北京時間。<2>代表定位狀態有效(“A”)或無效(“V”)。<9>為UTC日期，格式為“ddmmyy(日月年)”。

該GPS OEM板的串行數據輸出管腳為標準CMOS邏輯電平，故可以直接與單片機的串行數據接收管腳連接，而不需另加RS-232電平轉換芯片進行邏輯電平的轉換。

2.MCP2515性能簡介

完全支持CAN V2.0B技術規范，能收、發標準數據幀以及擴展數據幀，最高通信速率為1Mb/s；

兩個接收緩沖器，三個發送緩沖器，能對接收幀進行屏蔽、過濾，且優先級可編程設定。

具有高速SPI接口(10MHz)。

有靈活的中斷管理功能，方便數據的組織和信息的管理。

上述這些特性，使得MCU對于CAN總線的操作變得更方便、高效。

更多關于MCP2515芯片的描述，詳見其數據手冊，在此不做詳談。

3.電源輸入及電源切換電路

由于本系統要接收GPS數據，并用MCU進行守時，守時階段由電池對MCU和晶體電路進行供電，MCP2515、GPS OEM板和PCA82C250不工作。

非守時階段，即系統正常工作時，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現如圖2：其中D1、D2為低壓降的二極管。1K阻值的R1，其作用是當輸入電源中的一方斷電時，確保另外一方不對斷電方提供漏電壓。輸入電壓經過DC/DC芯片TPS76030變換后，產生3V電壓(com_3v)，對MCU和晶體電路進行供電。其余電路部分分別由外部輸入的3.3V和5V供電。

四、系統軟件模塊設計

系統軟件的設計主要分三部分：MCU的UASRT1口配置為UART模塊，進行GPS串行數據的接收和組織；MCU的TIMERA和TIMERB進行有效時間數據的加載和守時；MCU的UASRT0口配置為SPI模塊，采用三線SPI的主機模式，與MCP2515進行數據交互，實現CAN總線系統的搭建。

1.GPS串行數據的接收

本部分由一個狀態機控制，為了簡化設計，共分為3個狀態{同步頭狀態，命令頭狀態，GPS數據保存、分析狀態}，分別對應于：

(1)缺省狀態：同步頭“$”搜索、捕獲狀態。

(2)語句命令頭“GPRMC”搜索、捕獲狀態。

(3)GPS數據信息的保存和分析狀態。

(4)即回到狀態1，重新進入同步頭“$”搜索、捕獲狀態。

詳細數據處理流程見圖3：

2.守時模塊的軟件設計

全局變量的使用如下：hour、minute、second、day、month、year，分別作為時、分、秒、日、月、年的計數單元。cnt3125為計320us的計數單元，計3125次即為1秒。數組gps_data[55]，為接收GPS數據的緩存。data_to_timerA，數據是否已經加載完畢的標志。gps_flag，作為GPS數據是否有效的標志。

主程序中，當GPS數據有效標志gps_flag=‘1’時，把gps_data[55]對應單元中的時間數據由ASCII碼轉換為二進制數據，并進行“時”數據的“+8”處理后，分別加載到hour、minute、second、day、month、year中。令data_to_timerA=‘1’，通知TimerA，數據已成功加載到守時計數單元。同時，打開TimerB，進行秒輸入間隔超過1秒的超時判斷。

使用了3個中斷：定時器TimerA和TimerB中斷，還有GPS秒輸入信號中斷。

TimerA中斷主要是完成模塊守時，并實時產生秒輸出信號。

TimerB中斷是完成GPS秒輸入信號間隔大于1秒的處理。當秒間隔超過1秒時，令data_to_timerA=‘0’，清除GPS有效數據加載標志。

GPS秒輸入信號中斷，當data_to_timerA=‘1’時，對cnt3125計數單元清零，清除timerA計數初值，然后啟動timerA，進行“增計數”，同時產生秒輸出信號，最后令data_to_timerA=‘0’。

GPS數據與秒輸入信號共有4種可能的情形：

(1)GPS數據有效，GPS秒輸入有效，見圖4：

(2)GPS數據有效，GPS秒輸入無效，見圖5：

(3)GPS數據無效，GPS秒輸入無效，見圖6：

(4)GPS數據無效，GPS秒信號輸入有效：其具體處理同第3種情形，即TimerA持續“開”，進行基本秒單元的計時和時、分、日、月、年單元的計數守時。同時實時產生GPS秒輸出信號。TimerB一直關閉，不工作。

3.CAN總線部分的軟件設計

圖1 系統硬件設計框圖

圖2 系統電源輸入及電源切換電路

圖3 UART1接收中斷數據處理流程圖

MCU通過SPI總線與MCP2515進行接口，其數據傳輸速率設為1.6Mbps。MCU通過SPI的“串口發送中斷”來對MCP2515進行寫操作，通過“查詢”的方式來獲得MCP2515的狀態信息以及數據信息。本系統中，CAN數據速率設置為1Mbps。

MCU對MCP2515的數據接收：當MCP2515的接收緩沖器中接收滿CAN數據時，在MCP2515的/INT管腳產生中斷信號，通過MCU的I/O口中斷來得知CAN數據已接收好，即時把CAN數據接收到MCU。

MCU對MCP2515的數據發送：只需要被發送的信息幀傳送到CAN的發送緩沖器，然后傳送一條“請求發送”指令，啟動數據的發送。

該模塊通信軟件由3部分組成：MCP2515初始化、CAN數據接收、CAN數據發送。

圖4 GPS數據有效，GPS秒輸入有效

圖5 GPS數據有效，GPS秒輸入無效

圖6 GPS數據無效，GPS秒輸入無效

圖7 CAN數據接收流程圖

圖8 CAN數據發送流程圖

(1)MCP2515的初始化：

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

因為MCP2515初始化完成后，默認處于“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數據的接收：

MCU調用函數ReceiveMsg（），功能為：驗收、濾波正確之后，收到的信息自動存放在MCP2515的接收緩沖中，由MCP2515產生中斷，通知MCU進行CAN數據的接收和后續處理。其詳細流程見圖7：

(3)CAN數據的發送：

MCU組織好要發送到CAN總線的數據后，發送一條“讀狀態”命令，來判斷MCP2515把前面一條報文是否已發送完畢。若前一條報文已發送完成，則調用發送函數SendMsg()，功能為：把待發送數據裝載到MCP2515的數據發送緩沖，把待發數據的長度DLC、報文發送優先級、相應的節點ID信息依次裝載到MCP2515的對應寄存器后，最后發送一條“數據發送請求”命令，來啟動數據向CAN總線的發送。

具體的數據發送流程圖見圖8：

4.守時時間數據與CAN總線的數據交互

MCU的主程序中，檢測到can_flag=‘1’，就轉而進行已接收CAN數據的分析。當發現CAN總線傳來的命令是要求守時模塊進行時間傳輸時，立即組織相應的時間數據，并通過CAN總線發送出去。

五、結束語

經實踐證明，該系統能很好的完成GPS OEM板數據的接收、超低功耗MCU的軟件守時以及與CAN總線的數據交互工作。軟件全部采用C語言進行編寫，具有較強的通用性、擴展性和可移植性。

[1]秦龍.MSP430單片機C語言應用程序設計實例精講[M].電子工業出版社,2006.

[2]陳桂珍.利用MATLAB實現GPS OEM板與計算機的通訊及信息處理[J].鹽城工學院學報,2006.

[3]鄔寬明.CAN總線原理和應用系統設計[J].北京航空航天大學出版社,1996.

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

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

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

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