MCP2502X/5X CAN I/O 擴(kuò)展器：功能、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在當(dāng)今的電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，CAN（Controller Area Network）總線因其高可靠性、實(shí)時(shí)性和抗干擾能力，被廣泛應(yīng)用于汽車、工業(yè)自動(dòng)化等眾多領(lǐng)域。而 MCP2502X/5X 系列 CAN I/O 擴(kuò)展器，為實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單 CAN 節(jié)點(diǎn)提供了一種無(wú)需微控制器的解決方案。不過(guò)需要注意的是，該系列產(chǎn)品已不推薦用于新設(shè)計(jì)，大家可以考慮使用 MCP2515 或 MCP25625 替代。下面我們就來(lái)詳細(xì)了解一下 MCP2502X/5X 系列產(chǎn)品。

文件下載：MCP25050T-E SL.pdf

一、產(chǎn)品概述

MCP2502X/5X 系列設(shè)備作為 CAN 系統(tǒng)的 I/O 擴(kuò)展器，支持 CAN v2.0B 主動(dòng)模式，總線速率最高可達(dá) 1 Mb/s。它具有可編程的比特率、掩碼、過(guò)濾器以及自動(dòng)傳輸和接收緩沖區(qū)等特性，還配備了非易失性存儲(chǔ)器用于用戶配置，上電時(shí)可自動(dòng)加載配置。此外，該系列產(chǎn)品擁有 8 個(gè)通用 I/O 線，可單獨(dú)選擇作為輸入或輸出，部分型號(hào)還具備 4 個(gè) 10 位模擬輸入通道。

二、CAN 模塊詳解

2.1 CAN 協(xié)議有限狀態(tài)機(jī)

CAN 模塊的核心是有限狀態(tài)機(jī)（FSM），它逐位處理消息，根據(jù)不同幀類型的字段傳輸或接收來(lái)改變狀態(tài)。FSM 控制著 TX/RX 移位寄存器、CRC 寄存器和總線之間的順序數(shù)據(jù)流，同時(shí)也管理著錯(cuò)誤管理邏輯（EML）以及 TX/RX 移位寄存器和緩沖區(qū)之間的并行數(shù)據(jù)流，確保接收、仲裁、傳輸和錯(cuò)誤信號(hào)等過(guò)程符合 CAN 協(xié)議，并處理消息的自動(dòng)重傳。

2.2 循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）

CRC 寄存器生成 CRC 碼，該碼在控制字段（對(duì)于 0 數(shù)據(jù)字節(jié)的消息）或數(shù)據(jù)字段之后傳輸，用于檢查傳入消息的 CRC 字段，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

2.3 錯(cuò)誤管理邏輯

錯(cuò)誤管理邏輯負(fù)責(zé) CAN 設(shè)備的故障限制，通過(guò)接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器（REC）和傳輸錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器（TEC）來(lái)判斷設(shè)備狀態(tài)。根據(jù)計(jì)數(shù)器的值，設(shè)備可進(jìn)入錯(cuò)誤主動(dòng)、錯(cuò)誤被動(dòng)或總線關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備進(jìn)入總線關(guān)閉狀態(tài)后，需接收 128 個(gè)連續(xù)隱性位的總線關(guān)閉恢復(fù)序列才能恢復(fù)。

2.4 位定時(shí)邏輯

位定時(shí)邏輯（BTL）監(jiān)控總線輸入，根據(jù) CAN 協(xié)議處理總線相關(guān)的位定時(shí)。它在幀起始時(shí)進(jìn)行硬同步，并在后續(xù)隱性到顯性的總線轉(zhuǎn)換時(shí)進(jìn)行重新同步。BTL 提供可編程的時(shí)間段來(lái)補(bǔ)償傳播延遲和相移，并定義采樣點(diǎn)的位置。

2.4.1 時(shí)間量子（TQ）

TQ 是基于振蕩器周期的固定時(shí)間單位，通過(guò)可編程的波特率預(yù)分頻器（BRP）和固定的二分頻來(lái)生成。標(biāo)稱位時(shí)間可通過(guò)編程 TQ 長(zhǎng)度和每個(gè)時(shí)間段的 TQ 數(shù)量來(lái)計(jì)算。

2.4.2 時(shí)間段

標(biāo)稱位時(shí)間由同步段、傳播段、相位緩沖段 1 和相位緩沖段 2 組成。編程這些時(shí)間段時(shí)需要遵循一定規(guī)則，如 PropSeg + PS1 ≥ PS2 等。

2.4.3 采樣點(diǎn)

采樣點(diǎn)是讀取總線電平并確定接收位值的時(shí)間點(diǎn)，位于 PS1 結(jié)束時(shí)?？蛇x擇在采樣點(diǎn)進(jìn)行多次采樣，以多數(shù)值決定接收位的值。

2.4.4 信息處理時(shí)間

IPT 是從采樣點(diǎn)開(kāi)始預(yù)留的用于計(jì)算后續(xù)位電平的時(shí)間段，MCP2502X/5X 定義為 2 TQ。

2.4.5 同步跳轉(zhuǎn)寬度（SJW）

SJW 用于補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)之間的相移和振蕩器容差，在重新同步時(shí)調(diào)整 PS1 和 PS2 的值。其可編程范圍為 1 TQ 到 4 TQ。

2.4.6 配置寄存器

CAN 位定時(shí)邏輯相關(guān)的配置寄存器包括 CNF1、CNF2 和 CNF3，分別用于控制波特率預(yù)分頻器、傳播段和相位段長(zhǎng)度等參數(shù)。

2.5 緩沖區(qū)、掩碼和過(guò)濾器

MCP2502X/5X 包含三個(gè)傳輸緩沖區(qū)和兩個(gè)接收緩沖區(qū)，用于處理不同類型的消息。一個(gè)掩碼和兩個(gè)過(guò)濾器提供了最大的靈活性，可根據(jù)標(biāo)識(shí)符來(lái)決定設(shè)備響應(yīng)的消息。

2.5.1 傳輸消息 ID

設(shè)備包含三個(gè)傳輸消息 ID（TXID0、TXID1 和 TXID2），分別用于不同類型的消息傳輸，如總線消息、命令確認(rèn)消息、錯(cuò)誤條件消息等。

2.5.2 接收緩沖區(qū)

MCP2505X 有兩個(gè)接收緩沖區(qū)和一個(gè)消息組裝緩沖區(qū)（MAB），確保接收消息的處理并減少緩沖區(qū)溢出的風(fēng)險(xiǎn)。

2.5.3 接受掩碼和過(guò)濾器

接受掩碼用于定義 CAN ID 中哪些位需要與可編程過(guò)濾器進(jìn)行比較，兩個(gè)接受過(guò)濾器（RXF0 和 RXF1）分別用于信息請(qǐng)求消息和輸入消息的過(guò)濾。

三、用戶寄存器

MCP2502X/5X 允許用戶將與 CAN 模塊和設(shè)備配置相關(guān)的寄存器預(yù)編程到非易失性 EPROM 存儲(chǔ)器中，上電時(shí)這些配置將被傳輸?shù)?SRAM 中。用戶可以通過(guò) CAN 總線訪問(wèn)許多寄存器，還提供了 16 個(gè)用戶定義的寄存器用于存儲(chǔ)設(shè)備信息。

四、設(shè)備操作

4.1 上電序列

設(shè)備在上電時(shí)首先進(jìn)入配置模式，然后進(jìn)行自配置，將 EPROM 內(nèi)容傳輸?shù)?SRAM 中。自配置完成后，可進(jìn)入監(jiān)聽(tīng)模式或直接進(jìn)入正常模式，之后即可通過(guò) CAN 接口發(fā)送和接收消息。

4.2 消息功能

MCP2502X/5X 使用全局掩碼、兩個(gè)過(guò)濾器和兩個(gè)接收緩沖區(qū)來(lái)決定是否對(duì)接收的消息采取行動(dòng)，可執(zhí)行 16 種不同的功能，包括讀取寄存器、寫入寄存器等操作。

4.3 消息類型

4.3.1 信息請(qǐng)求消息（IRMs）

可通過(guò)遠(yuǎn)程傳輸請(qǐng)求（RTR）或數(shù)據(jù)幀消息的形式發(fā)送，設(shè)備根據(jù)接收到的消息確定要執(zhí)行的功能。

4.3.2 輸出消息

作為對(duì)信息請(qǐng)求消息的響應(yīng)，數(shù)據(jù)幀包含請(qǐng)求的數(shù)據(jù)，其標(biāo)識(shí)符和數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)量遵循一定規(guī)則。

4.3.3 輸入消息

用于改變預(yù)定義寄存器組的值，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)或擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀的形式發(fā)送，設(shè)備根據(jù)標(biāo)識(shí)符和數(shù)據(jù)字節(jié)來(lái)確定要寫入的寄存器。

4.4 動(dòng)態(tài)消息處理

設(shè)備確保在不同總線負(fù)載條件下正確處理傳輸和接收消息，包括消息的接受/拒絕、多消息接收和傳輸消息優(yōu)先級(jí)等方面。

4.5 自動(dòng)傳輸

MCP2502X/5X 可自動(dòng)發(fā)起四種不同類型的消息，包括數(shù)字輸入邊緣檢測(cè)、模擬輸入閾值檢測(cè)、錯(cuò)誤條件和定時(shí)傳輸?shù)惹闆r。

五、GPIO 模塊

MCP2502X/5X 擁有 8 個(gè)通用 I/O 引腳，可單獨(dú)配置為輸入或輸出。每個(gè)引腳具有弱上拉電阻，可通過(guò)控制位開(kāi)啟或關(guān)閉。引腳還具備復(fù)用功能，如模擬輸入、PWM 輸出、時(shí)鐘輸出等。所有 GPIO 引腳都支持?jǐn)?shù)字輸入邊緣檢測(cè)功能，當(dāng)檢測(cè)到指定極性的邊緣時(shí)，可自動(dòng)發(fā)送消息。

六、PWM 模塊

該模塊包含兩個(gè)脈沖寬度調(diào)制（PWM）模塊，可在 GP2 和 GP3 引腳生成最高 10 位分辨率的輸出信號(hào)。每個(gè) PWM 模塊有獨(dú)立的定時(shí)器、占空比和周期寄存器，可通過(guò)編程這些寄存器來(lái)控制 PWM 輸出的形狀和頻率。

七、A/D 轉(zhuǎn)換器模塊

A/D 模塊是一個(gè)四通道、10 位逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器，可將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為 10 位數(shù)字信號(hào)。支持自動(dòng)轉(zhuǎn)換和按需轉(zhuǎn)換兩種模式，轉(zhuǎn)換結(jié)果可通過(guò) CAN 總線在讀取 A/D 寄存器的輸出消息中提供給用戶。

八、特殊功能

8.1 振蕩器選擇

提供四種振蕩器模式，包括低功耗晶體（LP）、晶體/諧振器（XT）和高速晶體諧振器（HS），用戶可通過(guò)配置位選擇合適的模式。

8.2 復(fù)位

設(shè)備支持上電復(fù)位（POR）和外部復(fù)位（RST），并具備 RST 噪聲濾波器，可檢測(cè)并忽略小脈沖。

8.3 振蕩器啟動(dòng)定時(shí)器和上電定時(shí)器

振蕩器啟動(dòng)定時(shí)器（OST）確保晶體振蕩器在啟動(dòng)后穩(wěn)定，上電定時(shí)器（PWRT）在電源穩(wěn)定前保持設(shè)備復(fù)位狀態(tài)。

8.4 低功耗模式（SLEEP）

通過(guò) OPTREG2 寄存器的 SLPEN 位啟用，設(shè)備在總線空閑一定時(shí)間后進(jìn)入 SLEEP 模式，可通過(guò)外部復(fù)位、傳輸變化或 CAN 總線活動(dòng)喚醒。

8.5 在線串行編程

支持在線串行編程，用戶可在最終應(yīng)用電路中對(duì)設(shè)備進(jìn)行編程，方便產(chǎn)品的生產(chǎn)和更新。

九、電氣特性

文檔詳細(xì)列出了 MCP2502X/5X 的絕對(duì)最大額定值、直流特性、交流特性和 A/D 轉(zhuǎn)換器特性等電氣參數(shù)，為設(shè)計(jì)人員提供了重要的參考依據(jù)。

十、封裝信息

該系列產(chǎn)品提供 14 引腳的 PDIP 和 SOIC 封裝，文檔中給出了封裝的詳細(xì)尺寸和標(biāo)記信息，方便設(shè)計(jì)人員進(jìn)行 PCB 布局和組裝。

總結(jié)

MCP2502X/5X 系列 CAN I/O 擴(kuò)展器為實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單 CAN 節(jié)點(diǎn)提供了豐富的功能和靈活的配置選項(xiàng)。盡管它已不推薦用于新設(shè)計(jì)，但對(duì)于一些已有的應(yīng)用或特定需求，它仍然是一個(gè)可行的選擇。在使用過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員需要深入了解其各個(gè)模塊的功能和特性，根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行合理的配置和設(shè)計(jì)，以確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和性能優(yōu)化。大家在實(shí)際設(shè)計(jì)中遇到相關(guān)問(wèn)題，歡迎一起交流探討。