【代码库】基于 MCXN947 微控制器的 USB 至 CAN-FD 适配器_电路方案

基于 MCXN947 微控制器的 USB 至 CAN-FD 适配器

本应用笔记旨在构建一个 USB 转 CAN-FD 或传统 CAN 适配器，使 USB 数据能够重新传输到 CAN 总线，反之亦然。恩智浦 MCXN 设备具有高速 USB 端口和 CAN-FD 控制器。HS USB 的传输速度最高可达 480 Mbit/s，足以在 MCXN 8Mbit/s 的 CAN 总线上以最高 CAN 波特率传输 CAN-FD 帧。

为了使系统易于使用并与其他设备兼容，我们使用 USB CDC 虚拟 COM 端口进行通信。使用 Python 接口以 ASCII 格式可视化 CAN-FD 信息。

主板：FRDM-MCXN947、MCX-N9XX-EVK

类别：工业

外设：USB、CAN

工具链：MCUXpresso IDE

1.软件

此代码使用 MCUXpresso IDE 版本 11.8.0 和 MCUXpresso SDK 版本 2.13.1 实现。Python GUI 使用的是 Python 版本 3.10.10，其中包含 Tkinter 模块和 pySerial 库。Windows 系统使用 pyinstaller 创建 exe 文件。

2.硬件

购买支持的主板：
- FRDM-MCXN947
- MCX-N9XX-EVK

3. CAN-FD

CAN-FD 的定义见国际标准 ISO 11898-1:2015。为了帮助您快速上手使用 CAN-FD，本节将介绍 CAN-FD 的一些主要特性，面向熟悉 CAN 的用户。如果您是 CAN 新手，请访问community.nxp.com/CAN。

3.1 CAN和CAN-FD之间的区别

传统 CAN 和 CAN-FD 之间有两个主要区别。首先，CAN-FD 可以使用比传统 CAN 高得多的比特率。传统 CAN 的速率限制为 1 Mbit/s。CAN-FD 没有理论限制，但在实际应用中受收发器的限制。第二个主要区别是每个 CAN 消息的数据量增加。传统 CAN 的速率限制为 8 个数据字节。CAN-FD 的限制增加了八倍，达到每个消息 64 个数据字节。随着每个 CAN 消息数据量的增加，CAN-FD 帧需要更高的比特率来减少通信延迟时间并提高实时性能。CAN-FD 帧可以通过启用比特率切换功能达到更高的比特率。另一方面，比特率越高，比特时间越短。为了使数据阶段的比特时间甚至比发射器延迟更短，需要引入延迟补偿。如果没有发射器延迟补偿，CAN-FD 帧数据阶段的比特率将受到发射器延迟的限制。

图 1. CAN-FD 与 CAN 帧

4. USB CDC 类驱动程序

USB 通信设备类（或 USB CDC）是一种复合通用串行总线设备类。该类可能包含多个接口，例如自定义控制接口、数据接口、音频接口或大容量存储相关接口。在这种情况下，可以使用 USB 接口实现虚拟 COM 端口 (VCOM) 的功能，以便 PC 和嵌入式系统可以通过 VCOM 进行通信。要了解有关 USB 的一般信息，请访问以下链接：USB 基础培训

5.实施

5.1 概述

USB CDC 使用两个 USB 物理降压端点在 PC 和 MCU 之间传输数据。每个端点负责单向数据传输。

本示例将为每个管道使用两个缓冲区，一个用于 USB -> CAN-FD 总线，另一个用于 CAN-FD 总线 -> USB。数据到达 MCU 后，MCU 将负责使用获取的信息创建 CAN-FD 帧并发送；反之，MCU 将接收 CAN-FD 帧，并从中提取数据，然后使用 USB CDC 将其发送到 PC。

5.2 相关SDK示例

在继续任务之前，我们需要了解 USB CDC 和 CAN-FD 的使用背景知识。这两个示例都可以在 MCXN SDK 中找到：

“mcxn9xxevkflexcaninterrupt_transfer”示例：

flexcan 中断示例展示了如何以非阻塞中断方式使用 FlexCAN 驱动程序。

本例中，两块开发板通过 CAN 总线连接。端点 A（开发板 A）向

当用户按下终端上的任意键时，端点 B（板 B）会收到该消息，并将消息内容打印到终端并回显该消息。端点 A 会增加收到的消息，并等待用户发起下一次传输。

“mcxn9xxevkdevcdcvcombm”示例：

虚拟 COM 项目是一个基于 SDK 的简单演示程序。它被枚举为一个 COM 端口，用户可以使用终端工具（例如 TeraTerm）打开它。该演示程序会回显接收到的任何字符。此演示程序旨在展示如何构建 USB CDC 类设备，并为后续开发提供一个简单的项目。

这两个示例都可以从欢迎 | MCUXpresso SDK 构建器 (nxp.com)中提供的 MCXN SDK 导入

在继续阅读之前，请先熟悉以上两个示例。这两个示例是 USB-CAN 适配器设计的基础。

5.3 硬件实现

该示例是为 MCXN9XXEVK 和 FRDM-MCXN947 开发板创建的，这些开发板带有 USB PHY 和 CAN 收发器，无需对开发板进行任何硬件返工即可使用。必须在 board.h 文件中使用以下宏选择要使用的硬件：

MCX-N9XX-EVK 板

EVK 板上 USB-CAN 适配器使用的 GPIO 引脚

FRDM-MCXN947板

FRDM 上的 USB-CAN 适配器使用的 GPIO 引脚

5.4 软件实现

该软件基于两个裸机 SDK 示例创建：USB 设备 CDC VCOM 和 FlexCAN 中断。两者集成后，应用程序中会基于它们调整一个简单的串行协议，以便能够将 CAN 消息转换为 ASCII 串行消息，这些消息将通过 USB 设备 CDC（在本例中为 CDC）发送到 Python 接口，反之亦然。

接下来的步骤概述了如何创建 USB 至 CAN 项目示例：

使用 mcxn9xxevkdevcdcvcombm 作为基线。
集成mcxn9xxevkflexcaninterrupttransfer演示
- 将 CAN TxD 和 RxD 引脚配置复制到 pin
mux.c 文件中
将 fls_flexcan 驱动程序集成到 drivers 文件夹中的项目中
集成flexcaninterrupttransfer.c中的函数
创建适配层，将 CAN 消息转换为串行消息，反之亦然
在 USB 回调（USB_DeviceCdcVcomCallback）中确定在何处处理接收到的消息以转换为 CAN 消息并发送。
在 CAN 回调中识别接收完成，以了解何时将 CAN 帧转换为串行消息并使用 USB CDC 发送。

完整的 MCXN 软件示例可在此存储库中找到。

下图显示了此示例的高级框图设计。

这是项目中的流程图，首先初始化模块，然后 USB 初始化完成后，将启动并行操作，等待 USB 连接，然后进行枚举。PC 识别到开发板的 COM 后，代码将等待用户将 COM 连接到 GUI 或终端，并发送 CAN 的重新初始化序列，以重新配置所选的 CAN 选项、波特率、传统 CAN 或 CAN FD 以及扩展 ID。连接 GUI 终端后，代码将等待 CAN 帧或串行帧。

该应用程序的主要功能位于以下文件中：

可以接口.c

包含所有 CAN 相关函数的文件。CAN 发送、CAN 接收和 FlexCAN 初始化函数

usb_cdc_vcom.c

包含所有 USB 相关功能的文件。USB CDC 发送、USB CDC 接收和 USB 初始化功能。

usb_to_can.c

文件支持串行协议，具有接收输入功能来解析消息。

usb_can_适配器.c

包含用于调用初始化的主函数的文件。

5.5 串行命令帧

USB-CAN 适配器在主机上注册为虚拟串行端口，为了与接口轻松进行人机交互，CAN 命令将以 ASCII 字符的形式在 python 接口中接收，同样，接口将发送 ASCII 命令，这些命令将被转换为先前要发送的 CAN 命令。

为此，应按照以下特定格式创建框架：

| FD ID | 帧开始 | CAN ID | 扩展内容 | 数据 |
| :---------------: | :----------------: | :----------------: | :------------------: | :-----------------------------: |
| 2 个字符 | 1 个字符 | 3 个字符 | 1 个字符 | 2 至 128 个字符（取决于 DLC） |

FD ID ：字符“FD”用于识别该帧是否为 CAN-FD。
帧开始：ACII 字符“s”或“S”用于标识 CAN 帧的开始。
CAN ID：3 个字符，有效值为“0 至 9”或“A 至 F”，与真实 CAN ID 的十六进制值相对应。
DCL：有效的 DLC 选项：

| DLC 价值 | 字节长度 | 字符数 |
| :------------------: | :------------------: | :----------------: |
| 1 | 1 | 2 |
| 2 | 2 | 4 |
| 3 | 3 | 6 |
| 4 | 4 | 8 |
| 5 | 5 | 10 |
| 6 | 6 | 12 |
| 7 | 7 | 14 |
| 8 | 8 | 16 |
| 10 | 16 | 三十二 |
| 十三 | 三十二 | 64 |
| 15 | 64 | 128 |

数据：2 至 128 个字符，有效值为“0 至 9”或“A 至 F”，与 CAN 帧中的十六进制值相对应。

例子：

FDs12381122334455667788

| FD ID | 帧开始 | CAN ID | 扩展内容 | 数据 |
| :---------------: | :----------------: | :----------------: | :------------------: | :----------------: |
| FD | 秒 | 123 | 8 | 1122334455667788 |

5.6 Python GUI 界面

Python 是近年来最热门的编程语言之一。社区开发了一些非常有用的库和工具，使我们能够自动化流程，或者像本文中提到的那样开发接口。

本例中的 Python 接口是使用 Python 修订版 3.10.10 和 Tkinter 模块和 pySerial 库创建的，所有这些工具在网络上都有广泛的记录，并且有许多很好的例子可以作为基准。

此示例的代码包含在 pythongui 文件夹中的项目中。如果您对此主题不感兴趣，也可以使用位于 pythonguidist 目录下的 MCXUSBtoCAN_GUI.exe Windows 可执行文件。

5.7 接口说明

接口支持以下：

端口选择：允许您为 USB CDC 板选择 COM。
CAN 波特率：将选择仲裁阶段波特率。
CAN-FD 波特率：将选择数据阶段波特率。
连接：选择端口和波特率后必须点击此按钮。这将启动与我们设备的串行通信。
在中间的窗口中，我们将能够看到接收和发送的 CAN 消息
FD：此复选框用于选择使用传统 CAN 或 CAN-FD 来以所选格式传输和接收帧。
CAN ID：选择发送消息的 CAN ID
例如：此复选框用于激活扩展 ID 支持
DLC：指示长度数据的DLC。如果数据长度不允许，则会显示错误。
数据：待传输的消息。长度必须为 2 到 16、32、64 或 128 个字符之间的偶数，具体取决于 DLC 描述。

6. 动手

在下一个示例中，USB 转 CAN 适配器将用于与 CAN 设备通信或监控 CAN 网络中的通信。

6.1 直接沟通

此示例需要两块开发板。一块开发板将运行 USB 转 CAN 适配器代码，另一块开发板将运行 frdmmcxn947flexcaninterrupt_transfer 演示。

准备示例：

将 USB 电缆连接到两块板上的 J17 调试 USB 端口和 PC 主机。
使用 USB 电缆连接 PC 主机和将运行 USB 转 CAN 代码的开发板上的 J11 USB 设备端口。
板对板 CAN 连接需要如下：

| 节点A USBtoCAN | Node B CAN中断演示 | | |
| :------------------------: | :----------------------------: | :----------- | :----------- |
| 信号名称 | 董事会位置 | 信号名称 | 董事会位置 |
| 加勒比海 | J10-1 | 加勒比海 | J10-1 |
| 加拿大航空 | J10-2 | 加拿大航空 | J10-2 |
| 接地 | J10-4 | 接地 | J10-4 |

将示例代码下载到开发板上。一块开??发板需要使用本应用笔记附带的 USB 转 CAN 适配器源代码进行编程，另一块开发板需要使用直接从 MCXN9 SDK 导入的 flexcaninterrupttransfer 演示程序进行编程。
从带有 mcxn9xxevkflexcaninterrupt_transfer 演示的电路板上打开 PC 上的串行终端，并使用以下设置：
115200波特率
8个数据位
无奇偶校验
一个停止位
无流量控制
按下开发板上的重置按钮或在 IDE 中启动调试器即可开始运行演示。

运行示例：

使用 MCXUSBtoCANGUI.py 或 MCXUSBtoCANGUI.exe 打开 Python 接口
选择与USB CDC对应的COM。
在此示例中，CAN 波特率为 500000，CAN-FD 波特率为 2000000。
单击“连接”按钮。
设置 FD 复选框。
在 frdmmcxn947flexcaninterrupt_transfer 演示中选择节点 A 作为选项。
按下串行终端上的任意键即可发送 CAN 消息。
现在在 GUI 界面上在数据部分写入值 01 并单击发送按钮。
现在您可以重复步骤 7 和 8。只需记住，frdmmcxn947flexcaninterrupt_transfer 演示在发送 CAN 消息后处于循环等待接收消息，并且在接收消息后将等待直到使用终端发送 CAN 消息。