基于雙AT89C52單片機(jī)的CAN總線中繼器設(shè)計(jì)

引 言
      CAN總線以其開(kāi)發(fā)維護(hù)成本低、總線利用率高、傳輸距離遠(yuǎn)(最遠(yuǎn)可達(dá)10 km)、傳輸速率高(最高可達(dá)1 Mbps)使用戶能組建穩(wěn)定、高效的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)。CAN總線已被廣泛應(yīng)用到各個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，例如汽車電子、自動(dòng)控制、智能大廈、電力系統(tǒng)、安防監(jiān)控等領(lǐng)域。隨著CAN總線網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的擴(kuò)大，2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的直接數(shù)據(jù)傳輸將難以滿足遠(yuǎn)距離通信要求。CAN中繼器是延長(zhǎng)CAN總線通信距離的中轉(zhuǎn)站，其通信效率和通信可靠性直接影響CAN總線的通信能力。傳統(tǒng)的基于單MCU的CAN中繼器難以滿足大量數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)要求，本文基于雙MCU設(shè)計(jì)高性能的CAN總線中繼器。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
      CY7C136是2 KB高速CMOS靜態(tài)RAM。同一片RAM上有2組數(shù)據(jù)線和2組地址線，對(duì)每個(gè)端口的控制是相互獨(dú)立的，可分別在存儲(chǔ)器的任意位置存取數(shù)據(jù)。
      雙口RAM作為2個(gè)MCU的共享資源，一個(gè)端口與MCUl相連，另一個(gè)端口與MCU2相連。從SJAlOOOCAN總線接口1接收來(lái)的數(shù)據(jù)送入雙口RAM，這些數(shù)據(jù)被MCU2取走并送到SJAl000 CAN總線接口2上；從SJAl000 CAN總線接口2接收來(lái)的數(shù)據(jù)也送入雙口RAM，并被MCUl取走送到SJAl000 CAN總線接口1上。由于MCU的地址總線和數(shù)據(jù)總線是復(fù)用的，因此采用鎖存器進(jìn)行地址鎖存，硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件電路實(shí)現(xiàn)
      電路中使用的2片MCU為8051系列單片機(jī)AT89C52，成本低、開(kāi)發(fā)周期短、易于實(shí)現(xiàn)、可靠性高。MCUl與MCU2之間通過(guò)P1口的P1．5、P1．6、P1．7進(jìn)行聯(lián)絡(luò)與應(yīng)答，保證系統(tǒng)存儲(chǔ)空間訪問(wèn)的安全性。
2．1 MCU主控制電路
      MCUl(AT89C52片1)連接的外圍設(shè)備有雙口RAM和CAN總線控制器。為了防止地址沖突，采用74LS138譯碼器進(jìn)行地址譯碼。AT89C52的PO為地址／數(shù)據(jù)復(fù)用口，采用74HC573作為地址鎖存器。由于MCUl和MCU2電路原理相同，本文只介紹MCUl控制電路。MCUl電路原理如圖2所示。

2．2 雙口RAM接口電路
      雙口RAM電路接口如圖3所示。雙口RAM芯片CY7C136作為2個(gè)MCU數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站，分別與2個(gè)MCU的相應(yīng)引腳相連。其中CY7C136引腳I／O0L～1／O7L與第1片AT89C52(MCUl)的PO相連，引腳I／OOR～I(xiàn)／O7R與第2片AT89C52(MCU2)相連。YOAOUT為MCU1讀寫雙口RAM的片選信號(hào)，Y1AOUT為MCU2讀寫雙口RAM的片選信號(hào)，并將MCU的讀寫控制信號(hào)線與雙口RAM的相應(yīng)讀寫控制信號(hào)線相連。

2．3 CAN總線控制器接口電路
      CAN總線控制器采用sJAl000。74LSl38譯碼器的YO引腳輸出作為SJAl000的片選信號(hào)。中斷引腳連接MCUl的INTO，作為處理CAN接收中斷的觸發(fā)信號(hào)。電路原理如圖4所示。

3 軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
3．1 存儲(chǔ)空間分配思想
      為使雙口RAM實(shí)現(xiàn)最高效率的應(yīng)用，將2 KB的存儲(chǔ)空間設(shè)計(jì)成2個(gè)1 KB大小的環(huán)形隊(duì)列形式，每一個(gè)環(huán)形隊(duì)列的結(jié)構(gòu)如圖5所示(圖中陰影部分為存有數(shù)據(jù)的區(qū)域，非陰影區(qū)域?yàn)榭臻e區(qū)域)。

3．2 程序控制流程
      中繼器只是中轉(zhuǎn)來(lái)自總線上的數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)是隨機(jī)的，因此接收采用中斷的方式。某一時(shí)刻只要SJAl000成功接收一幀數(shù)據(jù)，就會(huì)向負(fù)責(zé)本端口的MCU申請(qǐng)中斷，進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，并將數(shù)據(jù)送入環(huán)形隊(duì)列queue。
      當(dāng)環(huán)形隊(duì)列中有待發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)，程序的處理流程如圖6所示(其中，tail和bead分別為環(huán)形隊(duì)列的尾指針和頭指針)。MCU首先獲取對(duì)方環(huán)形隊(duì)列中的信息，主要是查看環(huán)形隊(duì)列信息是否為空，如果為空則不對(duì)其操作。如果不為空，則隊(duì)列中有待發(fā)送的信息，于是啟動(dòng)一次信息發(fā)送。如果發(fā)送成功，則通過(guò)聯(lián)絡(luò)信號(hào)通知對(duì)方修改環(huán)形隊(duì)列指針。

4 測(cè) 試
      對(duì)基于雙口RAM的雙MCU中繼器進(jìn)行壓力測(cè)試(高數(shù)據(jù)負(fù)載率下測(cè)試)。短距離內(nèi)向2個(gè)CAN口加載10 000幀數(shù)據(jù)，測(cè)試中繼器成功中轉(zhuǎn)情況，其結(jié)果如表1所列(表身數(shù)據(jù)為成功中轉(zhuǎn)幀數(shù))。根據(jù)CAN總線規(guī)定，其平均負(fù)載率不超過(guò)65％，傳統(tǒng)的單MCU CAN中繼器平均負(fù)載率很難達(dá)到60％。從表1可以看出，引入雙MCU后CAN中繼器的性能大大提高，能在負(fù)載率超過(guò)60％的情況下穩(wěn)定工作。環(huán)形隊(duì)列queue溢出的情況可以通過(guò)增加雙口RAM的大小來(lái)解決。

結(jié) 語(yǔ)
      采用雙MCU配合雙口RAM設(shè)計(jì)CAN總線中繼器，解決了單MCU無(wú)法快速處理CAN總線負(fù)載過(guò)重的問(wèn)題，使其性能和效率得到了很大提高，為CAN中繼器在工程領(lǐng)域的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了良好的技術(shù)平臺(tái)和解決方案。