基于C8051F040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。

　　3 中繼器MCU狀態(tài)控制設計

　　由于中繼器采用雙MCU設計，在進(jìn)行數據傳輸的時(shí)候MCU不僅要監控CAN總線(xiàn)上的數據傳輸，還要監控SPI的數據傳輸，尤其是SPI的主從狀態(tài)正確轉換就顯得十分重要了，如圖4所示。

　　3．1 MOUO的設計

　　(1)系統初始化，開(kāi)CAN0中斷，設SPIO為主狀態(tài)，監測SPIl是否為從狀態(tài)。如果SPIl長(cháng)期是主狀態(tài)，標志通訊錯誤；

　　(2)CAN0接收上層發(fā)過(guò)來(lái)的數據，判斷SPIl是否為從狀態(tài)，如果是，就把CAN0數據轉發(fā)給SPIO并等發(fā)送完成，如果不是，就向主節點(diǎn)發(fā)送錯誤狀態(tài)幀；

　　(3)設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)送數據；如果不是，延時(shí)10 ms，再判斷還不是，就向主節點(diǎn)發(fā)送錯誤幀；

　　(4)SPIO接收到SPI1的完整數據后，轉發(fā)給CAN0，向主節點(diǎn)發(fā)數據，完成一次通訊。

　　3．2 MCUl的設計

　　(1)系統初始化，開(kāi)CANl中斷，設SPll為從狀態(tài)，準備接收MCU0通過(guò)SPIO發(fā)來(lái)的數據：

　　(2)監測SPIO是否為主狀態(tài)，如果是，就等待接收SPIO的數據，如果不是，就返回錯誤標志位；

　　(3)接收到SPIO傳來(lái)的數據，把SPll設為主，開(kāi)CANl中斷，將數據通過(guò)CANl發(fā)送到下一級相應ID節點(diǎn)；

　　(4)等待CANl下一級節點(diǎn)發(fā)回的回答幀，并判延時(shí)10ms是否到，10ms沒(méi)有收到回答幀，判SPIO是否為從，如果是從，發(fā)下一級錯誤幀，如果不是，等待SPIO轉為從的狀態(tài)；

　　(5)SPIl是主狀態(tài)并且SPIO為從狀態(tài)時(shí)，CANl轉發(fā)數據給SPIl并等發(fā)送完成。

　　4 系統的實(shí)時(shí)性分析

　　中繼器給系統帶來(lái)方便的同時(shí)，也給系統增加了一些存儲轉發(fā)延時(shí)，因此在軟件設計中必須考慮系統的實(shí)時(shí)性，盡量縮短數據的存儲轉發(fā)時(shí)間。通過(guò)對本文提出的雙MCU中繼器系統的分析，影響系統實(shí)時(shí)性的主要有以下幾個(gè)方面：

　　(1)0級CAN總線(xiàn)發(fā)送接收各一幀數據的時(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)送接收的字節數決定SPIO、SPIl發(fā)送接收時(shí)間；

　　(4)MCUl等待時(shí)間和MCU1通過(guò)CANl向1級CAN節點(diǎn)發(fā)送和接收1幀數據的時(shí)間；

　　(5)l級節點(diǎn)模塊MCU響應測量時(shí)間，受CANl波特率和通信協(xié)議的影響。

　　總之，當0級和l級實(shí)測距離是5km，CAN0和CANl波特率為6．91K，SPI的波特率為1M時(shí)，主節點(diǎn)到l級節點(diǎn)發(fā)送接收一次數據的時(shí)間為0．12s，達到大壩監測的實(shí)時(shí)性要求。

　　5 結論

　　本文設計的中繼器完成了各項設計指標，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程監控系統中承擔數據轉發(fā)和網(wǎng)絡(luò )拓展功能，運行結果表明，傳輸數據穩定可靠，并且運行正常。