基于C8051F040的CAN總線中繼器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引言

20世紀(jì)80年代初，德國BOSCH公司提出了控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network，CAN)來解決汽車內(nèi)部的信號(hào)傳輸問題。由于CAN總線優(yōu)良的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性能、成熟的仲裁和同步技術(shù)，加上開放式總線結(jié)構(gòu)、短報(bào)文高速通訊、遠(yuǎn)程通訊能力、硬件CRC超強(qiáng)的糾錯(cuò)和擴(kuò)展功能，以及控制簡(jiǎn)單、應(yīng)用成本低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被越來越多地應(yīng)用到分布式遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、安全監(jiān)控及電力系統(tǒng)等網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)領(lǐng)域，并被公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)之一。

中繼器是網(wǎng)絡(luò)物理層的一種介質(zhì)連接設(shè)備，可以將同一層的兩段網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互連，也可以實(shí)現(xiàn)上下層不同總線的互連，起到網(wǎng)橋和網(wǎng)關(guān)的作用。在大中型遠(yuǎn)程的CAN總線系統(tǒng)中經(jīng)常會(huì)使用到中繼器，主要用于監(jiān)測(cè)點(diǎn)眾多和測(cè)點(diǎn)分布距離遠(yuǎn)的場(chǎng)合。拉西瓦水電站工程為I等大(1)型工程，樞紐安全監(jiān)測(cè)的測(cè)點(diǎn)、儀器設(shè)備、測(cè)站多，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)覆蓋面大(10×lOkm)，測(cè)量設(shè)備之間距離差異較大，距離主控制室較遠(yuǎn)(長(zhǎng)達(dá)5km)，為了提高通信網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性并保證適當(dāng)高的通信速率，需要在網(wǎng)絡(luò)中加中繼器，以對(duì)通信鏈路中的信號(hào)加以放大，并對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行路由和轉(zhuǎn)發(fā)。本文提出了一種CAN網(wǎng)絡(luò)用中繼器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)硬件選型

CAN中繼器是CAN總線系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，要使中繼器擁有很好的可靠性，對(duì)其MCU的要求也相對(duì)較高。我們選擇了Silicon Laboratories公司的C805lF040(以下簡(jiǎn)稱F040)單片機(jī)作為中繼器的MCU。

F040內(nèi)集成了完全支持CAN2.0A和CAN2.0B的CAN控制器，獨(dú)立的消息RAM可以處理32條消息對(duì)象，每個(gè)消息對(duì)象都可以進(jìn)行發(fā)送和接收濾波，最高工作速率達(dá)到lMbps，能夠完成CAN總線協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的所有功能;其中CAN總線的競(jìng)爭(zhēng)處理、MCU接口、同步、數(shù)據(jù)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(shí)間來處理測(cè)量數(shù)據(jù)和控制命令，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

F040還具有增強(qiáng)型串行外設(shè)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(jù)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(gè)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(gè)以上主器件試圖同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)產(chǎn)生沖突。此外，F(xiàn)040還有大量的存儲(chǔ)空間一64kB的片內(nèi)F1ash和4K+256B的內(nèi)部RAM，以及外部64kB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口，完全滿足系統(tǒng)通訊和緩存數(shù)據(jù)空間的要求。

2 中繼器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

CAN總線中繼器需要完成將一端的總線上數(shù)據(jù)完整地傳輸?shù)搅硪粋€(gè)MCU所負(fù)責(zé)的CAN總線上。本文采用易于控制數(shù)據(jù)流量，處理速度快，功能擴(kuò)展性好的雙MCU的方案，如圖1所示。本文中繼器設(shè)計(jì)的主要思想是采用兩個(gè)F040組成中繼系統(tǒng)，利用F040的SPI進(jìn)行多主通訊，進(jìn)行互傳數(shù)據(jù)。兩個(gè)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(hào)設(shè)計(jì);與下面1總線連接的F040的CANl的ID設(shè)為0號(hào)編號(hào)，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(quán)交叉開關(guān)譯碼器可以靈活分配給數(shù)字信號(hào)作為I/0端口。根據(jù)實(shí)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(jù)和中繼器的主從轉(zhuǎn)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(duì)應(yīng)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(cè)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(cè)MCUl的狀態(tài)。端口之間串聯(lián)的1k保護(hù)電阻，用以防止啟動(dòng)時(shí)因兩邊數(shù)據(jù)的沖突而導(dǎo)致芯片燒壞。

本系統(tǒng)是用CAN總線將中繼器與上下兩層網(wǎng)絡(luò)連接起來，因此在中繼器系統(tǒng)中還應(yīng)有CAN總線傳輸模塊，如圖3所示。選擇ADI公司生產(chǎn)的 ADuMl201用來實(shí)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(hù)了總線及總線上的其他節(jié)點(diǎn)，即增強(qiáng)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(gè)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(yuǎn)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(shí)，接收端收到的始終是“1”電平，這樣拉高信號(hào)的幅度，減少誤碼率。另外在CANH和CANL之間并聯(lián)一對(duì)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(shè)計(jì)

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

3.1 MOUO的設(shè)計(jì)

(1)系統(tǒng)初始化，開CAN0中斷，設(shè)SPIO為主狀態(tài)，監(jiān)測(cè)SPIl是否為從狀態(tài)。如果SPIl長(zhǎng)期是主狀態(tài)，標(biāo)志通訊錯(cuò)誤;

(2)CAN0接收上層發(fā)過來的數(shù)據(jù)，判斷SPIl是否為從狀態(tài)，如果是，就把CAN0數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給SPIO并等發(fā)送完成，如果不是，就向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送錯(cuò)誤狀態(tài)幀;

(3)設(shè)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(jù);如果不是，延時(shí)10 ms，再判斷還不是，就向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送錯(cuò)誤幀;[!--empirenews.page--]

(4)SPIO接收到SPI1的完整數(shù)據(jù)后，轉(zhuǎn)發(fā)給CAN0，向主節(jié)點(diǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，完成一次通訊。

3.2 MCUl的設(shè)計(jì)

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

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

(3)接收到SPIO傳來的數(shù)據(jù)，把SPll設(shè)為主，開CANl中斷，將數(shù)據(jù)通過CANl發(fā)送到下一級(jí)相應(yīng)ID節(jié)點(diǎn);

(4)等待CANl下一級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)回的回答幀，并判延時(shí)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(jí)錯(cuò)誤幀，如果不是，等待SPIO轉(zhuǎn)為從的狀態(tài);

(5)SPIl是主狀態(tài)并且SPIO為從狀態(tài)時(shí)，CANl轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)給SPIl并等發(fā)送完成。

4 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性分析

中繼器給系統(tǒng)帶來方便的同時(shí)，也給系統(tǒng)增加了一些存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)，因此在軟件設(shè)計(jì)中必須考慮系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，盡量縮短數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間。通過對(duì)本文提出的雙MCU中繼器系統(tǒng)的分析，影響系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的主要有以下幾個(gè)方面：

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

(2)CAN0產(chǎn)生中斷，通知MCU0準(zhǔn)備向SPIO發(fā)送時(shí)間(中斷時(shí)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(shí)間;

(4)MCUl等待時(shí)間和MCU1通過CANl向1級(jí)CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收1幀數(shù)據(jù)的時(shí)間;

(5)l級(jí)節(jié)點(diǎn)模塊MCU響應(yīng)測(cè)量時(shí)間，受CANl波特率和通信協(xié)議的影響。

總之，當(dāng)0級(jí)和l級(jí)實(shí)測(cè)距離是5km，CAN0和CANl波特率為6.91K，SPI的波特率為1M時(shí)，主節(jié)點(diǎn)到l級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送接收一次數(shù)據(jù)的時(shí)間為0.12s，達(dá)到大壩監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的中繼器完成了各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，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(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中承擔(dān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和網(wǎng)絡(luò)拓展功能，運(yùn)行結(jié)果表明，傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，并且運(yùn)行正常。