基于C8O51FO4O的CAN總線(xiàn)中繼器設計與實(shí)現

0 引言
20世紀80年代初，德國B(niǎo)OSCH公司提出了控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network，CAN)來(lái)解決汽車(chē)內部的信號傳輸問(wèn)題。由于CAN總線(xiàn)優(yōu)良的穩定性和實(shí)時(shí)性能、成熟的仲裁和同步技術(shù)，加上開(kāi)放式總線(xiàn)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(jiǎn)單、應用成本低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被越來(lái)越多地應用到分布式遠程自動(dòng)控制、安全監控及電力系統等網(wǎng)絡(luò )控制系統領(lǐng)域，并被公認為最有前途的現場(chǎng)總線(xiàn)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)現上下層不同總線(xiàn)的互連，起到網(wǎng)橋和網(wǎng)關(guān)的作用。在大中型遠程的CAN總線(xiàn)系統中經(jīng)常會(huì )使用到中繼器，主要用于監測點(diǎn)眾多和測點(diǎn)分布距離遠的場(chǎng)合。拉西瓦水電站工程為I等大(1)型工程，樞紐安全監測的測點(diǎn)、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(cháng)達5km)，為了提高通信網(wǎng)絡(luò )的抗干擾性并保證適當高的通信速率，需要在網(wǎng)絡(luò )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(jìn)行路由和轉發(fā)。本文提出了一種CAN網(wǎng)絡(luò )用中繼器的設計和實(shí)現。

1 系統硬件選型
CAN中繼器是CAN總線(xiàn)系統的關(guān)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(jiǎn)稱(chēng)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(gè)消息對象都可以進(jìn)行發(fā)送和接收濾波，最高工作速率達到lMbps，能夠完成CAN總線(xiàn)協(xié)議數據鏈路層和應用層的所有功能；其中CAN總線(xiàn)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(lái)解決，MCU因此得以騰出大量的時(shí)間來(lái)處理測量數據和控制命令，從而提高整個(gè)系統的實(shí)時(shí)性。
F040還具有增強型串行外設接口(SPI)提供了訪(fǎng)問(wèn)靈活的全雙工串行總線(xiàn)，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(xiàn)工作方式和4線(xiàn)工作方式，并支持在同一總線(xiàn)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)行數據傳輸時(shí)產(chǎn)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(mǎn)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(xiàn)中繼器需要完成將一端的總線(xiàn)上數據完整地傳輸到另一個(gè)MCU所負責的CAN總線(xiàn)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(gè)F040組成中繼系統，利用F040的SPI進(jìn)行多主通訊，進(jìn)行互傳數據。兩個(gè)F040的CAN作為連接兩邊總線(xiàn)。其中，與上面0總線(xiàn)聯(lián)接的F040的CANO的ID按照模塊編號設計；與下面1總線(xiàn)連接的F040的CANl的ID設為0號編號，作為該總線(xiàn)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)先權交叉開(kāi)關(guān)譯碼器可以靈活分配給數字信號作為I／0端口。根據實(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(lái)。MCU0的狀態(tài)由P2．6M和P2．7M輸出，MCUl通過(guò)輸入口P2．6S和IP2．7S監測MCU0的狀態(tài)；MCUl的狀態(tài)由P1．6S和P1．7S輸出，MCU0通過(guò)輸入口P1．6M和P1．7M監測MCUl的狀態(tài)。端口之間串聯(lián)的1k保護電阻，用以防止啟動(dòng)時(shí)因兩邊數據的沖突而導致芯片燒壞。

本系統是用CAN總線(xiàn)將中繼器與上下兩層網(wǎng)絡(luò )連接起來(lái)，因此在中繼器系統中還應有CAN總線(xiàn)傳輸模塊，如圖3所示。選擇ADI公司生產(chǎn)的ADuMl201用來(lái)實(shí)現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，而且也保護了總線(xiàn)及總線(xiàn)上的其他節點(diǎn)，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(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(xiàn)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(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(guò)一組上下拉電阻R4、R5，有效抑制反射波干擾，保持總線(xiàn)處于高阻態(tài)時(shí)，接收端收到的始終是“1”電平，這樣拉高信號的幅度，減少誤碼率。另外在CANH和CANL之間并聯(lián)一對方向相反的瞬態(tài)二極管Dl、D2，可防雷擊，以及防止其他總線(xiàn)上的瞬變干擾。