探索UCANS32K1系列CAN節(jié)點開發(fā)板：設(shè)計、應用與實戰(zhàn)指南

一、引言

在電子設(shè)計領(lǐng)域，CAN（Controller Area Network）總線憑借其高可靠性、實時性和抗干擾能力，在汽車、工業(yè)自動化、無人機等眾多領(lǐng)域得到廣泛應用。NXP的UCANS32K1系列CAN節(jié)點開發(fā)板，為開發(fā)者提供了一套強大且靈活的解決方案，可用于構(gòu)建各種基于CAN總線的應用系統(tǒng)。本文將深入介紹UCANS32K1系列開發(fā)板的特點、應用場景、硬件設(shè)計、軟件支持以及相關(guān)的使用指南，幫助電子工程師們更好地利用這些開發(fā)板進行項目開發(fā)。

文件下載：NXP Semiconductors KIT-UCANS32K1SIC CAN SIC評估套件.pdf

二、UCANS32K1系列開發(fā)板概述

2.1 基本信息

UCANS32K1系列包含UCANS32K146和UCANS32K1SIC兩款開發(fā)板，它們是通用的CAN節(jié)點參考設(shè)計。這個GitBook為NXP RDDRONE - UCANS32K1系列支持UAVCAN協(xié)議的CAN - FD和CAN - SIC開發(fā)板提供了詳細的技術(shù)信息，還包括參考軟件和示例。

2.2 相關(guān)部件編號及含義

• KIT - UCANS32K1SIC：這是一個完整的開發(fā)套件，包含兩塊UCANS32KSIC開發(fā)板、一個調(diào)試器和一塊轉(zhuǎn)接板，能讓開發(fā)者迅速開啟開發(fā)之旅。
• UCANS32K1SIC：是單塊的UCANS32K146開發(fā)板，同時配備CAN電纜和終端網(wǎng)絡板。
• KIT - UCANS32K146：同樣是完整的開發(fā)套件，有兩塊UCANS32K146開發(fā)板、一個調(diào)試器和一塊轉(zhuǎn)接板，為開發(fā)提供了所需的全部基礎(chǔ)組件。
• UCANS32K146 - 01：單塊的UCANS32K146開發(fā)板，不過沒有額外的調(diào)試器。

2.3 不同型號對比

三、UCANS32K1開發(fā)板的應用場景

3.1 電機控制與反饋

在無人機、無人車等設(shè)備中，UCANS32K1開發(fā)板可用于PWM輸出，為電機控制器或舵機提供信號。以無人機為例，它能減輕飛行管理單元（FMU）生成RC - PWM信號的負擔，同時將電機的狀態(tài)信息，如轉(zhuǎn)速、溫度等反饋給FMU，有助于實現(xiàn)更精準的飛行姿態(tài)控制。在實際的飛行控制系統(tǒng)中，如果電機出現(xiàn)異常，UCANS32K1板能及時將故障信息反饋給FMU，F(xiàn)MU可以根據(jù)這些信息進行相應的調(diào)整或發(fā)出警報。

3.2 電池管理

對于無人機和無人車來說，電池的狀態(tài)至關(guān)重要。UCANS32K1開發(fā)板可以用于構(gòu)建電池管理系統(tǒng)，實時監(jiān)測電池的功耗、電量、健康狀態(tài)和其他故障信息，并將這些信息報告給FMU。例如，當電池電量過低時，F(xiàn)MU可以根據(jù)報告及時調(diào)整飛行或行駛策略，確保設(shè)備安全返回。

3.3 多GPS連接

在一些需要高精度定位的應用中，單個GPS可能無法滿足需求。UCANS32K1開發(fā)板可以通過CAN總線將多個GPS的數(shù)據(jù)傳輸給FMU，使設(shè)備能夠獲取更準確的位置信息。在大型無人機的測繪任務中，多個GPS的數(shù)據(jù)融合可以提高測繪的精度和可靠性。

3.4 傳感器數(shù)據(jù)傳輸

各種傳感器，如空速/壓力傳感器等，可以通過UCANS32K1開發(fā)板將數(shù)據(jù)傳輸給FMU。在氣象監(jiān)測無人機中，空速傳感器可以實時測量飛行速度，壓力傳感器可以測量大氣壓力，這些數(shù)據(jù)通過UCANS32K1開發(fā)板傳輸?shù)紽MU，再由FMU進行分析和處理，為氣象數(shù)據(jù)的采集提供支持。

3.5 其他外設(shè)連接

除了上述應用，UCANS32K1開發(fā)板還可以連接各種外設(shè)，如遠程燈光、arming/safety開關(guān)等。在一些特殊的應用場景中，通過UCANS32K1開發(fā)板可以方便地擴展設(shè)備的功能，實現(xiàn)更多的控制和監(jiān)測任務。

四、UCANS32K1開發(fā)板的硬件設(shè)計

4.1 核心處理器

開發(fā)板采用了NXP S32K146汽車級MCU，該MCU基于80 MHz ARM Cortex - M4F內(nèi)核，符合ASIL - B標準。它具有強大的處理能力和可靠性，能夠滿足各種復雜應用的需求。在工業(yè)自動化領(lǐng)域，需要處理大量的傳感器數(shù)據(jù)和控制信號，S32K146的高性能可以確保系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。

4.2 CAN收發(fā)器

有兩種CAN收發(fā)器可供選擇，分別是雙NXP TJA1044 CAN收發(fā)器和雙NXP TJA1463 CAN - SIC收發(fā)器。不同的收發(fā)器適用于不同的應用場景，TJA1463 CAN - SIC收發(fā)器在信號強度和抗干擾能力方面可能更具優(yōu)勢，適用于電磁環(huán)境較為復雜的場合。

4.3 接口設(shè)計

• NFC接口：配備4 - pin JST - GH連接器，支持NFC功能，并帶有外部天線接口（天線需自行配備）。NFC技術(shù)可以實現(xiàn)設(shè)備之間的近距離通信，如數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)備配對等。
• RC - PWM接口：UCANS32K1SIC板有兩個RC - PWM引腳，UCANS32K146板有一個RC - PWM引腳，并且都支持可選的外部電源輸入。這使得開發(fā)板可以方便地連接電機、舵機等設(shè)備，實現(xiàn)對這些設(shè)備的精確控制。
• SPI、I2C和UART接口：通過通孔焊盤（適用于0.100"針腳）引出，這些接口可以方便地連接各種外設(shè)，如傳感器、SD卡等。同時，這些引腳還可以重新映射為其他功能，如GPIO、ADC、定時器等，增加了開發(fā)板的靈活性。
• 電源輸入：開發(fā)板支持5V電源輸入，可以通過4 - pin JST - GH CAN連接器或2 - pin電源輸入引腳供電。此外，RC - PWM引腳還有一個可選的電源輸入，專門為3引腳連接的PWM設(shè)備（如高功率RC伺服器）供電。

五、UCANS32K1開發(fā)板的軟件支持

5.1 PX4 Autopilot

PX4是一款開源的無人機和無人車飛行控制軟件，UCANS32K146是其構(gòu)建目標之一。雖然UCANS32K146本身不是飛行控制器，但它可以借助PX4的基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)外設(shè)驅(qū)動的通信和可移植性，從而構(gòu)建分布式車輛架構(gòu)。例如，在一個多無人機系統(tǒng)中，不同的無人機可以通過UCANS32K146開發(fā)板和PX4軟件實現(xiàn)協(xié)同工作，共享傳感器數(shù)據(jù)和控制指令。

5.2 Apache NuttX

Apache NuttX是一個強調(diào)標準合規(guī)性和小尺寸的嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS）。UCANS32K146也是NuttX的構(gòu)建目標之一，開發(fā)者可以在不依賴PX4基礎(chǔ)設(shè)施的情況下使用NuttX。NuttX支持多種微控制器平臺，包括NXP的S32K1xx系列，為開發(fā)者提供了更多的選擇。在一些資源有限的嵌入式系統(tǒng)中，NuttX的小尺寸和低功耗特性可以滿足系統(tǒng)的需求。

5.3 UAVCAN V1

UAVCAN是一種輕量級協(xié)議，專為航空航天和機器人應用中的可靠車內(nèi)通信而設(shè)計，支持CAN總線、以太網(wǎng)等多種傳輸方式。UCANS32K1開發(fā)板支持UAVCAN V1協(xié)議，開發(fā)者可以利用其進行數(shù)據(jù)傳輸和通信。在一個機器人系統(tǒng)中，不同的模塊之間可以通過UAVCAN協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)協(xié)同工作。

5.4 SocketCAN API

開發(fā)板提供了與SocketCAN API兼容的CAN驅(qū)動，利用POSIX套接字API可以方便地進行CAN應用開發(fā)。這使得開發(fā)者可以使用熟悉的編程接口進行開發(fā)，提高開發(fā)效率。在開發(fā)一個基于CAN總線的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)時，開發(fā)者可以使用SocketCAN API快速實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)和處理。

5.5 SLCAN - CAN over serial

SLCAN是一種通過串行線進行CAN通信的接口，雖然目前SLCAN支持尚未公開，但未來有望發(fā)布。這將為開發(fā)者提供更多的調(diào)試和通信方式，方便開發(fā)和測試工作。

六、開發(fā)板的使用指南

6.1 上電操作

UCANS32K146開發(fā)板有兩種上電方式：一是將5V電源連接到開發(fā)板的電源引腳；二是通過JST - GH CAN連接器供電，其中CAN連接器中間的兩個引腳用于CAN數(shù)據(jù)傳輸，外側(cè)的兩個引腳用于供電，最左邊的引腳為5V，最右邊的引腳為GND。開發(fā)者可以根據(jù)實際需求選擇合適的上電方式。

6.2 固件燒錄與調(diào)試

開發(fā)板上有一個7 - pin JST - GH連接器，集成了SWD和UART接口，用于固件燒錄和串口調(diào)試。該連接器位于開發(fā)板靠近CAN連接器的一側(cè)。對于PX4 Autopilot和Apache NuttX，都有相應的固件燒錄指南可供參考。在燒錄固件時，開發(fā)者需要注意選擇合適的燒錄工具和參數(shù)，確保燒錄過程順利進行。

6.3 示例項目

文檔中提供了多個示例項目，如UCANS32K146之間的CAN - FD echo示例、UCANS32K1SIC的演示應用等。以CAN - FD echo示例為例，開發(fā)者需要下載和安裝S32 Design Studio for ARM，將兩個UCANS32K146開發(fā)板通過4 - wire JST - GH CAN電纜互連，并在CAN1連接器上連接CAN總線終端電阻，為引腳頭提供5V電源。然后在S32 Design Studio中導入示例項目，分別為兩個開發(fā)板選擇合適的構(gòu)建配置（NODE_A和NODE_B），進行代碼編譯、燒錄。燒錄完成后，如果開發(fā)板上靠近5V引腳的綠色LED以約1秒的間隔閃爍，則表示項目運行正常。開發(fā)者可以通過示波器或邏輯分析儀觀察數(shù)據(jù)傳輸情況。

七、總結(jié)與展望

UCANS32K1系列CAN節(jié)點開發(fā)板為電子工程師提供了一個功能強大、靈活且易于使用的開發(fā)平臺。從硬件設(shè)計來看，其豐富的接口和高性能的處理器能夠滿足各種不同應用場景的需求；在軟件方面，支持多種開源軟件和協(xié)議，為開發(fā)者提供了廣闊的開發(fā)空間。無論是在無人機、無人車、工業(yè)自動化還是其他領(lǐng)域，UCANS32K1開發(fā)板都有著廣泛的應用前景。

未來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，UCANS32K1開發(fā)板可能會在以下幾個方面得到進一步的提升：一是性能的提升，如處理器速度的提高、CAN總線傳輸速率的增加等，以滿足更復雜、更高速的應用需求；二是功能的拓展，可能會增加更多的接口和功能模塊，如更多種類的傳感器接口、無線通信模塊等；三是軟件的優(yōu)化，進一步完善開源軟件的支持，提高開發(fā)的便利性和效率。

電子工程師們可以充分利用UCANS32K1開發(fā)板的優(yōu)勢，開發(fā)出更多創(chuàng)新、實用的應用系統(tǒng)。同時，也希望開發(fā)者們能夠積極參與到開發(fā)板的社區(qū)建設(shè)中，分享經(jīng)驗和成果，共同推動該領(lǐng)域的發(fā)展。你在使用UCANS32K1開發(fā)板的過程中遇到過哪些問題？有什么獨特的應用案例想和大家分享嗎？歡迎在評論區(qū)留言交流。