基于C8051F040的CAN總線中繼器設計與實現(xiàn)

0 引言

20世紀80年代初，德國BOSCH公司提出了控制器局域網(Controller Area Network，CAN)來解決汽車內部的信號傳輸問題。由于CAN總線優(yōu)良的穩(wěn)定性和實時性能、成熟的仲裁和同步技術，加上開放式總線結構、短報文高速通訊、遠程通訊能力、硬件CRC超強的糾錯和擴展功能，以及控制簡單、應用成本低等優(yōu)點，已經被越來越多地應用到分布式遠程自動控制、安全監(jiān)控及電力系統(tǒng)等網絡控制系統(tǒng)領域，并被公認為最有前途的現(xiàn)場總線技術之一。

中繼器是網絡物理層的一種介質連接設備，可以將同一層的兩段網絡進行互連，也可以實現(xiàn)上下層不同總線的互連，起到網橋和網關的作用。在大中型遠程的CAN總線系統(tǒng)中經常會使用到中繼器，主要用于監(jiān)測點眾多和測點分布距離遠的場合。拉西瓦水電站工程為I等大(1)型工程，樞紐安全監(jiān)測的測點、儀器設備、測站多，監(jiān)測系統(tǒng)覆蓋面大(10×lOkm)，測量設備之間距離差異較大，距離主控制室較遠(長達5km)，為了提高通信網絡的抗干擾性并保證適當高的通信速率，需要在網絡中加中繼器，以對通信鏈路中的信號加以放大，并對數(shù)據報文進行路由和轉發(fā)。本文提出了一種CAN網絡用中繼器的設計和實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)硬件選型

CAN中繼器是CAN總線系統(tǒng)的關鍵設備之一，要使中繼器擁有很好的可靠性，對其MCU的要求也相對較高。我們選擇了Silicon Laboratories公司的C805lF040(以下簡稱F040)單片機作為中繼器的MCU。

F040內集成了完全支持CAN2.0A和CAN2.0B的CAN控制器，獨立的消息RAM可以處理32條消息對象，每個消息對象都可以進行發(fā)送和接收濾波，最高工作速率達到lMbps，能夠完成CAN總線協(xié)議數(shù)據鏈路層和應用層的所有功能;其中CAN總線的競爭處理、MCU接口、同步、數(shù)據的一貫性以及連續(xù)性保證，都是由硬件來解決，MCU因此得以騰出大量的時間來處理測量數(shù)據和控制命令，從而提高整個系統(tǒng)的實時性。

F040還具有增強型串行外設接口(SPI)提供了訪問靈活的全雙工串行總線，為中繼器之間交換數(shù)據提供了良好的接口。SPI可以作為主器件或從器件，有3線工作方式和 4線工作方式，并支持在同一總線上連接多個主器件和從器件。而且在多主環(huán)境中禁止主器件方式操作，以避免兩個以上主器件試圖同時進行數(shù)據傳輸時產生沖突。此外，F(xiàn)040還有大量的存儲空間一64kB的片內F1ash和4K+256B的內部RAM，以及外部64kB數(shù)據存儲器接口，完全滿足系統(tǒng)通訊和緩存數(shù)據空間的要求。

2 中繼器系統(tǒng)硬件結構

CAN總線中繼器需要完成將一端的總線上數(shù)據完整地傳輸?shù)搅硪粋€MCU所負責的CAN總線上。本文采用易于控制數(shù)據流量，處理速度快，功能擴展性好的雙MCU的方案，如圖1所示。本文中繼器設計的主要思想是采用兩個F040組成中繼系統(tǒng)，利用F040的SPI進行多主通訊，進行互傳數(shù)據。兩個F040的CAN作為連接兩邊總線。其中，與上面0總線聯(lián)接的F040的CANO的ID按照模塊編號設計;與下面1總線連接的F040的CANl的ID設為0號編號，作為該總線的根模塊。

F040的通用端口I/0引腳資源豐富，利用自身的優(yōu)先權交叉開關譯碼器可以靈活分配給數(shù)字信號作為I/0端口。根據實際的電路需要，把SPI配置到 P0.0~P0.2，中繼器的主從端口配置要一致，如圖2所示。為了更好、更快地交換數(shù)據和中繼器的主從轉換，充分利用剩余端口，將主從MCU的 P1.6、P1.7、P2.6、P2.7端口對應連接起來。MCU0的狀態(tài)由P2.6M和P2.7M輸出，MCUl通過輸入口P2.6S和IP2.7S監(jiān)測MCU0的狀態(tài);MCUl的狀態(tài)由P1.6S和P1.7S輸出，MCU0通過輸入口P1.6M和P1.7M監(jiān)測MCUl的狀態(tài)。端口之間串聯(lián)的1k保護電阻，用以防止啟動時因兩邊數(shù)據的沖突而導致芯片燒壞。

本系統(tǒng)是用CAN總線將中繼器與上下兩層網絡連接起來，因此在中繼器系統(tǒng)中還應有CAN總線傳輸模塊，如圖3所示。選擇ADI公司生產的 ADuMl201用來實現(xiàn)CAN控制器和CAN收發(fā)器之間的電氣隔離，這樣不僅提高了中繼器的可靠性，而且也保護了總線及總線上的其他節(jié)點，即增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。CAN收發(fā)器SN65HVD25l在CANH和ICANL輸出引腳間并聯(lián)一個電阻，作為CAN總線的終端電阻。終端電阻值R6等于傳輸電纜的特性阻抗，一般取值120Ω，解決了遠近端阻抗不匹配的影響。SN65HVD251的Rs引腳為斜率電阻輸入引腳，可以改變收發(fā)器工作的方式。在CANH和CANL上各自串聯(lián)電阻R2、R3限流，再通過一組上下拉電阻R4、R5，有效抑制反射波干擾，保持總線處于高阻態(tài)時，接收端收到的始終是“1”電平，這樣拉高信號的幅度，減少誤碼率。另外在CANH和CANL之間并聯(lián)一對方向相反的瞬態(tài)二極管Dl、D2，可防雷擊，以及防止其他總線上的瞬變干擾。

3 中繼器MCU狀態(tài)控制設計

由于中繼器采用雙MCU設計，在進行數(shù)據傳輸?shù)臅r候MCU不僅要監(jiān)控CAN總線上的數(shù)據傳輸，還要監(jiān)控SPI的數(shù)據傳輸，尤其是SPI的主從狀態(tài)正確轉換就顯得十分重要了，如圖4所示。

3.1 MOUO的設計

(1)系統(tǒng)初始化，開CAN0中斷，設SPIO為主狀態(tài)，監(jiān)測SPIl是否為從狀態(tài)。如果SPIl長期是主狀態(tài)，標志通訊錯誤;

(2)CAN0接收上層發(fā)過來的數(shù)據，判斷SPIl是否為從狀態(tài)，如果是，就把CAN0數(shù)據轉發(fā)給SPIO并等發(fā)送完成，如果不是，就向主節(jié)點發(fā)送錯誤狀態(tài)幀;

(3)設SPI0為從狀態(tài)，判斷SPIl是否為主狀態(tài)，如果是，就等待SPIl發(fā)送數(shù)據;如果不是，延時10 ms，再判斷還不是，就向主節(jié)點發(fā)送錯誤幀;[!--empirenews.page--]

(4)SPIO接收到SPI1的完整數(shù)據后，轉發(fā)給CAN0，向主節(jié)點發(fā)數(shù)據，完成一次通訊。

3.2 MCUl的設計

(1)系統(tǒng)初始化，開CANl中斷，設SPll為從狀態(tài)，準備接收MCU0通過SPIO發(fā)來的數(shù)據：

(2)監(jiān)測SPIO是否為主狀態(tài)，如果是，就等待接收SPIO的數(shù)據，如果不是，就返回錯誤標志位;

(3)接收到SPIO傳來的數(shù)據，把SPll設為主，開CANl中斷，將數(shù)據通過CANl發(fā)送到下一級相應ID節(jié)點;

(4)等待CANl下一級節(jié)點發(fā)回的回答幀，并判延時10ms是否到，10ms沒有收到回答幀，判SPIO是否為從，如果是從，發(fā)下一級錯誤幀，如果不是，等待SPIO轉為從的狀態(tài);

(5)SPIl是主狀態(tài)并且SPIO為從狀態(tài)時，CANl轉發(fā)數(shù)據給SPIl并等發(fā)送完成。

4 系統(tǒng)的實時性分析

中繼器給系統(tǒng)帶來方便的同時，也給系統(tǒng)增加了一些存儲轉發(fā)延時，因此在軟件設計中必須考慮系統(tǒng)的實時性，盡量縮短數(shù)據的存儲轉發(fā)時間。通過對本文提出的雙MCU中繼器系統(tǒng)的分析，影響系統(tǒng)實時性的主要有以下幾個方面：

(1)0級CAN總線發(fā)送接收各一幀數(shù)據的時間，主要受通信協(xié)議(CAN2.0A或2.0B)及CAN0波特率決定;

(2)CAN0產生中斷，通知MCU0準備向SPIO發(fā)送時間(中斷時間);

(3) SPI的波特率和發(fā)送接收的字節(jié)數(shù)決定SPIO、SPIl發(fā)送接收時間;

(4)MCUl等待時間和MCU1通過CANl向1級CAN節(jié)點發(fā)送和接收1幀數(shù)據的時間;

(5)l級節(jié)點模塊MCU響應測量時間，受CANl波特率和通信協(xié)議的影響。

總之，當0級和l級實測距離是5km，CAN0和CANl波特率為6.91K，SPI的波特率為1M時，主節(jié)點到l級節(jié)點發(fā)送接收一次數(shù)據的時間為0.12s，達到大壩監(jiān)測的實時性要求。

5 結論

本文設計的中繼器完成了各項設計指標，符合工程的要求，并且在拉西瓦水電站高拱壩的高邊坡大型遠程監(jiān)控系統(tǒng)中承擔數(shù)據轉發(fā)和網絡拓展功能，運行結果表明，傳輸數(shù)據穩(wěn)定可靠，并且運行正常。