基于C8O51FO4O的CAN總線中繼器設計與實現

　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總線優良的穩定性和實時性能、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、應用成本低等優點，已經被越來越多地應用到分布式遠程自動控制、安全監控及電力系統等網絡控制系統領域，并被公認為最有前途的現場總線技術之一。

　　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總線系統中經常會使用到中繼器，主要用于監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，樞紐安全監測的測點、儀器設備、測站多，監測系統覆蓋面大(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，并對數據報文進行路由和轉發。本文提出了一種CAN網絡用中繼器的設計和實現。

　　1 系統硬件選型

　　CAN中繼器是CAN總線系統的關鍵設備之一，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送和接收濾波，最高工作速率達到lMbps，能夠完成CAN總線協議數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、數據的一貫性以及連續性保證，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據和控制命令，從而提高整個系統的實時性。

　　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據傳輸時產生沖突。此外，F040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數據存儲器接口，完全滿足系統通訊和緩存數據空間的要求。

　　2 中繼器系統硬件結構

　　CAN總線中繼器需要完成將一端的總線上數據完整地傳輸到另一個MCU所負責的CAN總線上。本文采用易于控制數據流量，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，利用F040的SPI進行多主通訊，進行互傳數據。兩個F040的CAN作為連接兩邊總線。其中，與上面0總線聯接的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，利用自身的優先權交叉開關譯碼器可以靈活分配給數字信號作為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的狀態由P2．6M和P2．7M輸出，MCUl通過輸入口P2．6S和IP2．7S監測MCU0的狀態；MCUl的狀態由P1．6S和P1．7S輸出，MCU0通過輸入口P1．6M和P1．7M監測MCUl的狀態。端口之間串聯的1k保護電阻，用以防止啟動時因兩邊數據的沖突而導致芯片燒壞。

　　本系統是用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CAN控制器和CAN收發器之間的電氣隔離，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點，即增強了系統的穩定性，又提高了系統的抗干擾能力。CAN收發器SN65HVD25l在CANH和ICANL輸出引腳間并聯一個電阻，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，可以改變收發器工作的方式。在CANH和CANL上各自串聯電阻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之間并聯一對方向相反的瞬態二極管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狀態控制設計

　　由于中繼器采用雙MCU設計，在進行數據傳輸的時候MCU不僅要監控CAN總線上的數據傳輸，還要監控SPI的數據傳輸，尤其是SPI的主從狀態正確轉換就顯得十分重要了，如圖4所示。

　　3．1 MOUO的設計

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

　　(2)CAN0接收上層發過來的數據，判斷SPIl是否為從狀態，如果是，就把CAN0數據轉發給SPIO并等發送完成，如果不是，就向主節點發送錯誤狀態幀；

　　(3)設SPI0為從狀態，判斷SPIl是否為主狀態，如果是，就等待SPIl發送數據；如果不是，延時10 ms，再判斷還不是，就向主節點發送錯誤幀；

　　(4)SPIO接收到SPI1的完整數據后，轉發給CAN0，向主節點發數據，完成一次通訊。

　　3．2 MCUl的設計

　　(1)系統初始化，開CANl中斷，設SPll為從狀態，準備接收MCU0通過SPIO發來的數據：

　　(2)監測SPIO是否為主狀態，如果是，就等待接收SPIO的數據，如果不是，就返回錯誤標志位；

　　(3)接收到SPIO傳來的數據，把SPll設為主，開CANl中斷，將數據通過CANl發送到下一級相應ID節點；

　　(4)等待CANl下一級節點發回的回答幀，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，發下一級錯誤幀，如果不是，等待SPIO轉為從的狀態；

　　(5)SPIl是主狀態并且SPIO為從狀態時，CANl轉發數據給SPIl并等發送完成。

　　4 系統的實時性分析

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

　　(1)0級CAN總線發送接收各一幀數據的時間，主要受通信協議(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發送時間(中斷時間)；

　　(3) SPI的波特率和發送接收的字節數決定SPIO、SPIl發送接收時間；

　　(4)MCUl等待時間和MCU1通過CANl向1級CAN節點發送和接收1幀數據的時間；

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

　　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，主節點到l級節點發送接收一次數據的時間為0．12s，達到大壩監測的實時性要求。

　　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控系統中承擔數據轉發和網絡拓展功能，運行結果表明，傳輸數據穩定可靠，并且運行正常。