基于PIC單片機(jī)的CAN總線擴(kuò)展技術(shù)

0 引 言
    CAN總線是一種串行多主站局域網(wǎng)總線，被廣泛應(yīng)用于汽車控制系統(tǒng)、自動(dòng)控制、樓宇自動(dòng)化、醫(yī)學(xué)設(shè)備等各個(gè)領(lǐng)域。其傳輸距離遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)可達(dá)10 km，傳輸速率高，最高可達(dá)1 Mb／s，容錯(cuò)性能好，可靠性能高。但是由于CAN驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力有限，CAN總線能夠驅(qū)動(dòng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)有限，一般在100個(gè)左右，同時(shí)會(huì)隨著傳輸距離的增加，最高傳輸速率會(huì)下降，如果距離過長會(huì)引起信號(hào)丟失、反射等故障。在實(shí)驗(yàn)室條件下測(cè)得在5 Kb／s的通信速率下最遠(yuǎn)通信距離能達(dá)到10 km；在18 Kb／s的通信速率下最遠(yuǎn)通信距離只能達(dá)到2 km；而在42 b／s的通信速率下，最遠(yuǎn)通信距離只能達(dá)到1 km。測(cè)試條件：線纜采用線徑為0．75 mm2的屏蔽雙絞線，線纜為盤裝，室內(nèi)測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)隨著隨著通信距離的增加，通信速率迅速下降，而CAN總線的驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量也次第下降。而在通信距離遠(yuǎn)，通信節(jié)點(diǎn)多的大空間場(chǎng)所，比如礦井、電力監(jiān)控等系統(tǒng)需要CAN總線來傳輸數(shù)據(jù)和監(jiān)控信息的場(chǎng)所，CAN總線不能滿足要求。
    如果要實(shí)現(xiàn)通信距離遠(yuǎn)、通信速率高、總線節(jié)點(diǎn)數(shù)量多CAN總線系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)CAN總線的擴(kuò)展，就需要一個(gè)CAN網(wǎng)關(guān)進(jìn)行橋接，把CAN總線劃分為幾個(gè)子網(wǎng)，增加CAN總線通信節(jié)點(diǎn)，延長CAN總線的傳輸距離，提高CAN總線的傳輸速率。在研究基于PIC單片機(jī)的CAN網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)和擴(kuò)展的CAN總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1 CAN網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計(jì)及總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
1．1 CAN網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計(jì)
    CAN網(wǎng)關(guān)作為一種轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，連接在兩個(gè)不同的CAN網(wǎng)絡(luò)中，能夠?qū)崟r(shí)接收來自兩個(gè)子網(wǎng)中的信息，根據(jù)需要篩選或者無條件地把接收到的信息轉(zhuǎn)發(fā)到另外一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。CAN總線層次結(jié)構(gòu)分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，工作于ISO／OSI參考模式下。CAN網(wǎng)關(guān)在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層完成兩個(gè)CAN網(wǎng)的連接。CAN網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    CAN網(wǎng)關(guān)可以作為透明網(wǎng)關(guān)和源路由網(wǎng)關(guān)。透明網(wǎng)關(guān)完全按照接收到的幀格式轉(zhuǎn)發(fā)，不改變幀結(jié)構(gòu)，對(duì)于用戶，網(wǎng)關(guān)相當(dāng)于透明的。而源路由網(wǎng)關(guān)由用戶提供路由信息，網(wǎng)關(guān)按照路由信息對(duì)消息進(jìn)行過濾和有選擇性的轉(zhuǎn)發(fā)。

1．2 CAN總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
    帶有網(wǎng)關(guān)的CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。在這個(gè)網(wǎng)路中，PC機(jī)為主節(jié)點(diǎn)，而CAN節(jié)點(diǎn)作為從節(jié)點(diǎn)。在網(wǎng)絡(luò)的頂層，由PC機(jī)和網(wǎng)關(guān)構(gòu)成一個(gè)主網(wǎng)，在這個(gè)主網(wǎng)中PC機(jī)和CAN網(wǎng)關(guān)作為CAN節(jié)點(diǎn)，總線驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)能力可以帶100個(gè)cAN節(jié)點(diǎn)左右。主網(wǎng)中的CAN網(wǎng)關(guān)再作為下一個(gè)子網(wǎng)中的主節(jié)點(diǎn)，而其他CAN網(wǎng)關(guān)或是CAN節(jié)點(diǎn)作為從節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成一個(gè)子網(wǎng)。這樣通過CAN網(wǎng)關(guān)可以逐環(huán)把網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展下去，直到最底層的CAN節(jié)點(diǎn)。而在應(yīng)用層上，用戶可以把網(wǎng)關(guān)配置成透明網(wǎng)關(guān)或是源路由網(wǎng)光。透明網(wǎng)關(guān)不影響網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，CAN拓展網(wǎng)絡(luò)形成一個(gè)多節(jié)點(diǎn)，遠(yuǎn)距離的網(wǎng)絡(luò)。源路由網(wǎng)關(guān)對(duì)消息具有過濾性，根據(jù)用戶的配置信息把CAN網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用層上劃分為幾個(gè)小網(wǎng)。

    這樣，解決了節(jié)點(diǎn)容量、通信距離、通信速率的問題。

2 網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)
    硬件電路開發(fā)采用集成電路，開發(fā)周期短，成本低。CPU采用Microchip公司的16位單片機(jī)dsPIC30F6011作為核心部件，其內(nèi)部集成了兩個(gè)CAN控制器，支持CAN 2．0A／B協(xié)議，CPU的速度可以達(dá)到30 MIPS，程序存儲(chǔ)器空間有132 KB，內(nèi)部RAM有6 144 B，數(shù)據(jù)程序存儲(chǔ)器有2 048 B，集成的功能強(qiáng)大，體積小，性價(jià)比比較高。物理層采用兩個(gè)CAN驅(qū)動(dòng)器PCA82C250。其中一組的PCA82C250的RXD，TXD引腳不是和CPUdsPIC30F6011直接連接，而在中間用光速光藕6N137隔離。
    單片機(jī)dsPIC30F6011有兩個(gè)通用的UART口，可以作為和PC機(jī)或其他上位機(jī)通信的接口來用。另外，dsPIC30F6011采用TQPF封裝64引腳，利用通用I／O驅(qū)動(dòng)LED燈作為指示燈，預(yù)留并行液晶顯示器和 4×4行列式鍵盤的接口。
    CAN控制器和驅(qū)動(dòng)器部分采用了光電隔離器，因此電源設(shè)計(jì)部分要求有兩個(gè)隔離的5 V電源?？紤]到可以會(huì)用到液晶顯示器，因此一路電源設(shè)計(jì)采用輸出容量1 A的開關(guān)電源LM9076，而另外一路采用隔離DC／DC模塊電源。這樣CAN子網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò)出了問題并不影響另外一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常工作，提高了CAN網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性能。硬件電路設(shè)計(jì)外圍電路少、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低。設(shè)計(jì)的CAN網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如圖3所示。

3 網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)
    CAN網(wǎng)關(guān)作為消息的轉(zhuǎn)發(fā)器，要準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地接收兩個(gè)CAN發(fā)送的信息，并且要實(shí)時(shí)發(fā)出去。對(duì)于不斷發(fā)出信息的問題節(jié)點(diǎn)要及時(shí)屏蔽，避免錯(cuò)誤信息蔓延到另一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)。如果CAN網(wǎng)關(guān)被設(shè)置成透明網(wǎng)關(guān)則直接把一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)的信息轉(zhuǎn)發(fā)到另外一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中即可，如果CAN網(wǎng)關(guān)被設(shè)置成和某個(gè)區(qū)間ID相關(guān)，則要做一些信息過濾和屏蔽處理。當(dāng)CAN網(wǎng)關(guān)檢測(cè)到總線有錯(cuò)誤時(shí)，要通過備用的UART口將錯(cuò)誤信息上發(fā)到上位機(jī)或其他信息處理主機(jī)。
    CAN網(wǎng)關(guān)的信息接收通過硬件中斷來完成。當(dāng)總線上有消息時(shí)，引起硬件中斷，進(jìn)入中斷程序后根據(jù)中斷標(biāo)志位的區(qū)別把接收到的信息存放到相應(yīng)的緩沖區(qū)中。緩沖區(qū)是一個(gè)FIFO的存儲(chǔ)區(qū)。而主程序則一直檢測(cè)兩個(gè)CAN控制器對(duì)應(yīng)的兩個(gè)接收緩沖區(qū)，當(dāng)檢測(cè)到緩沖區(qū)不為空時(shí)則把緩沖區(qū)內(nèi)的信息順序發(fā)送到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。從而形成一個(gè)具有一定的錯(cuò)誤檢測(cè)能力的雙向通道，完成了兩個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)的信息轉(zhuǎn)發(fā)。CAN網(wǎng)關(guān)的主程序框圖如圖4所示，中斷程序框圖如圖5所示。

4 結(jié) 語
    詳細(xì)介紹了CAN總線擴(kuò)展技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和系統(tǒng)構(gòu)成，給出了CAN網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)原理及軟件設(shè)計(jì)框圖。這樣的CAN總線擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)橐隒AN網(wǎng)關(guān)而增加了消息的傳遞時(shí)間，但是這個(gè)增加的時(shí)間很小，是微秒級(jí)的，可以忽略不計(jì)。而帶來的優(yōu)勢(shì)明顯，因?yàn)榘袰AN網(wǎng)絡(luò)在物理層上劃分為幾個(gè)網(wǎng)絡(luò)，彼此之間不相互影響，因而增加了CAN網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性，同時(shí)，擴(kuò)展靈活，只需要增加一個(gè)CAN網(wǎng)關(guān)來增加子網(wǎng)即可；通信速率可通過增加網(wǎng)關(guān)來提高，通信距離可以擴(kuò)展到很遠(yuǎn)。通過CAN網(wǎng)關(guān)增加了CAN總線的容量、提高了CAN總線的通信速率、擴(kuò)展了CAN總線的傳輸距離。