基于PIC單片機的CAN總線擴展技術

0 引 言
    CAN總線是一種串行多主站局域網(wǎng)總線，被廣泛應用于汽車控制系統(tǒng)、自動控制、樓宇自動化、醫(yī)學設備等各個領域。其傳輸距離遠，最遠可達10 km，傳輸速率高，最高可達1 Mb／s，容錯性能好，可靠性能高。但是由于CAN驅(qū)動器的驅(qū)動能力有限，CAN總線能夠驅(qū)動的節(jié)點數(shù)有限，一般在100個左右，同時會隨著傳輸距離的增加，最高傳輸速率會下降，如果距離過長會引起信號丟失、反射等故障。在實驗室條件下測得在5 Kb／s的通信速率下最遠通信距離能達到10 km；在18 Kb／s的通信速率下最遠通信距離只能達到2 km；而在42 b／s的通信速率下，最遠通信距離只能達到1 km。測試條件：線纜采用線徑為0．75 mm2的屏蔽雙絞線，線纜為盤裝，室內(nèi)測試。在實驗中，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)動節(jié)點數(shù)量也次第下降。而在通信距離遠，通信節(jié)點多的大空間場所，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)控信息的場所，CAN總線不能滿足要求。
    如果要實現(xiàn)通信距離遠、通信速率高、總線節(jié)點數(shù)量多CAN總線系統(tǒng)，實現(xiàn)CAN總線的擴展，就需要一個CAN網(wǎng)關進行橋接，把CAN總線劃分為幾個子網(wǎng)，增加CAN總線通信節(jié)點，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單片機的CAN網(wǎng)關設計和擴展的CAN總線網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。

1 CAN網(wǎng)關總體設計及總線拓撲結(jié)構(gòu)
1．1 CAN網(wǎng)關總體設計
    CAN網(wǎng)關作為一種轉(zhuǎn)發(fā)設備，連接在兩個不同的CAN網(wǎng)絡中，能夠?qū)崟r接收來自兩個子網(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)到另外一個網(wǎng)絡中。CAN總線層次結(jié)構(gòu)分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層，工作于ISO／OSI參考模式下。CAN網(wǎng)關在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層完成兩個CAN網(wǎng)的連接。CAN網(wǎng)關結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

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

1．2 CAN總線網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)
    帶有網(wǎng)關的CAN網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。在這個網(wǎng)路中，PC機為主節(jié)點，而CAN節(jié)點作為從節(jié)點。在網(wǎng)絡的頂層，由PC機和網(wǎng)關構(gòu)成一個主網(wǎng)，在這個主網(wǎng)中PC機和CAN網(wǎng)關作為CAN節(jié)點，總線驅(qū)動器驅(qū)動能力可以帶100個cAN節(jié)點左右。主網(wǎng)中的CAN網(wǎng)關再作為下一個子網(wǎng)中的主節(jié)點，而其他CAN網(wǎng)關或是CAN節(jié)點作為從節(jié)點，構(gòu)成一個子網(wǎng)。這樣通過CAN網(wǎng)關可以逐環(huán)把網(wǎng)絡擴展下去，直到最底層的CAN節(jié)點。而在應用層上，用戶可以把網(wǎng)關配置成透明網(wǎng)關或是源路由網(wǎng)光。透明網(wǎng)關不影響網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，CAN拓展網(wǎng)絡形成一個多節(jié)點，遠距離的網(wǎng)絡。源路由網(wǎng)關對消息具有過濾性，根據(jù)用戶的配置信息把CAN網(wǎng)絡在應用層上劃分為幾個小網(wǎng)。

    這樣，解決了節(jié)點容量、通信距離、通信速率的問題。

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2 網(wǎng)關的硬件設計
    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dsPIC30F6011作為核心部件，其內(nèi)部集成了兩個CAN控制器，支持CAN 2．0A／B協(xié)議，CPU的速度可以達到30 MIPS，程序存儲器空間有132 KB，內(nèi)部RAM有6 144 B，數(shù)據(jù)程序存儲器有2 048 B，集成的功能強大，體積小，性價比比較高。物理層采用兩個CAN驅(qū)動器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dsPIC30F6011有兩個通用的UART口，可以作為和PC機或其他上位機通信的接口來用。另外，dsPIC30F6011采用TQPF封裝64引腳，利用通用I／O驅(qū)動LED燈作為指示燈，預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)動器部分采用了光電隔離器，因此電源設計部分要求有兩個隔離的5 V電源。考慮到可以會用到液晶顯示器，因此一路電源設計采用輸出容量1 A的開關電源LM9076，而另外一路采用隔離DC／DC模塊電源。這樣CAN子網(wǎng)之間實現(xiàn)了電氣隔離，如果一個網(wǎng)絡出了問題并不影響另外一個網(wǎng)絡的正常工作，提高了CAN網(wǎng)絡的抗干擾性能。硬件電路設計外圍電路少、設計簡單、成本低。設計的CAN網(wǎng)關硬件設計系統(tǒng)框圖如圖3所示。

3 網(wǎng)關的軟件設計
    CAN網(wǎng)關作為消息的轉(zhuǎn)發(fā)器，要準確、實時地接收兩個CAN發(fā)送的信息，并且要實時發(fā)出去。對于不斷發(fā)出信息的問題節(jié)點要及時屏蔽，避免錯誤信息蔓延到另一個CAN網(wǎng)絡。如果CAN網(wǎng)關被設置成透明網(wǎng)關則直接把一個CAN網(wǎng)絡的信息轉(zhuǎn)發(fā)到另外一個網(wǎng)絡中即可，如果CAN網(wǎng)關被設置成和某個區(qū)間ID相關，則要做一些信息過濾和屏蔽處理。當CAN網(wǎng)關檢測到總線有錯誤時，要通過備用的UART口將錯誤信息上發(fā)到上位機或其他信息處理主機。[!--empirenews.page--]
    CAN網(wǎng)關的信息接收通過硬件中斷來完成。當總線上有消息時，引起硬件中斷，進入中斷程序后根據(jù)中斷標志位的區(qū)別把接收到的信息存放到相應的緩沖區(qū)中。緩沖區(qū)是一個FIFO的存儲區(qū)。而主程序則一直檢測兩個CAN控制器對應的兩個接收緩沖區(qū)，當檢測到緩沖區(qū)不為空時則把緩沖區(qū)內(nèi)的信息順序發(fā)送到另一個網(wǎng)絡中。從而形成一個具有一定的錯誤檢測能力的雙向通道，完成了兩個CAN網(wǎng)絡的信息轉(zhuǎn)發(fā)。CAN網(wǎng)關的主程序框圖如圖4所示，中斷程序框圖如圖5所示。

4 結(jié) 語
    詳細介紹了CAN總線擴展技術的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)構(gòu)成，給出了CAN網(wǎng)關的硬件設計原理及軟件設計框圖。這樣的CAN總線擴展網(wǎng)絡，因為引入CAN網(wǎng)關而增加了消息的傳遞時間，但是這個增加的時間很小，是微秒級的，可以忽略不計。而帶來的優(yōu)勢明顯，因為把CAN網(wǎng)絡在物理層上劃分為幾個網(wǎng)絡，彼此之間不相互影響，因而增加了CAN網(wǎng)絡的抗干擾性，同時，擴展靈活，只需要增加一個CAN網(wǎng)關來增加子網(wǎng)即可；通信速率可通過增加網(wǎng)關來提高，通信距離可以擴展到很遠。通過CAN網(wǎng)關增加了CAN總線的容量、提高了CAN總線的通信速率、擴展了CAN總線的傳輸距離。