基于獨立雙CAN控制器的中繼器設計

　　CAN(Controller Area Network，控制器局域網(wǎng))總線是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡，是現(xiàn)場總線的一種。CAN總線具有通信速率高、開放性好、糾錯能力強和系統(tǒng)成本低等優(yōu)點，現(xiàn)已在機械工業(yè)、機器人、醫(yī)療器械等各種領域中得到了廣泛的應用。

　　然而由于受到CAN收發(fā)器的限制，在一個CAN總線網(wǎng)絡中最多只能有110個CAN節(jié)點，最大只能達到10 km的通信距離，所以當所需CAN總線網(wǎng)絡規(guī)模超出以上限制時就必須進行CAN總線網(wǎng)絡的擴展。目前一般的擴展方式是加入CAN總線中繼器。CAN中繼器的主要任務是在兩個CAN網(wǎng)段之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，他具有過濾通信量，擴大通信距離，增加節(jié)點的最大數(shù)目，允許各個網(wǎng)段使用不同的通信速率，提高可靠性，改善網(wǎng)絡性能等優(yōu)點，是CAN組網(wǎng)的關鍵設備之一。在稍大型的CAN總線網(wǎng)絡中經(jīng)常會用到中繼器。

　　通常CAN中繼器都是基于兩片獨立的CAN控制器實現(xiàn)的。這樣的CAN中繼器雖然可以擴大通信距離、增加節(jié)點的最大數(shù)目，但是由于他的數(shù)據(jù)存儲轉(zhuǎn)發(fā)要通過CPU的內(nèi)部緩存中轉(zhuǎn)，使得CPU與CAN控制器之間的數(shù)據(jù)交互過多，從而造成通信系統(tǒng)的時延增加，實時性能變差，CPU的負擔變重。同時當網(wǎng)絡負擔較重時，還會因為CPU的內(nèi)部緩存容量有限，造成幀丟失現(xiàn)象，使系統(tǒng)可靠性變差。然而，實時性和可靠性對通信系統(tǒng)而言是非常重要的。

　　針對上述中繼器在實時性和可靠性上的缺點，我們采用獨立雙CAN控制器作為兩路CAN接口的控制器來設計CAN中繼器。利用獨立雙CAN控制器的內(nèi)置FIFO和網(wǎng)關的特性，使兩個CAN節(jié)點共享雙CAN模塊的資源，允許在兩個單獨的CAN節(jié)點之間直接通過FIFO進行數(shù)據(jù)交換，而不使用CPU內(nèi)部緩存中轉(zhuǎn)，這樣減少了CPU與控制器之間的數(shù)據(jù)交互，優(yōu)化了CAN總線的傳輸，大幅度減少了CPU的負荷，改善了整個系統(tǒng)的實時性和可靠性。

　　2 獨立雙CAN控制器簡介

　　獨立雙CAN控制器包括兩個全CAN功能節(jié)點。但他并不是這兩個CAN節(jié)點簡單的組合，而是這兩者既可以獨立使用，又可以通過雙CAN控制器的網(wǎng)關功能，設計出可以大幅度減輕CPU負擔的中繼器的設備。除此之外，雙CAN控制器還具有節(jié)電功能、更多的中斷功能和增強的濾波功能等，他與微控制器的信息交換通道也有串行和并行兩種選擇。

　　圖1給出了獨立雙CAN控制器的結(jié)構(gòu)框圖。他由CAN節(jié)點A／B、報文對象緩沖器、雙CAN控制模塊、端口控制、總線接口、中斷控制等模塊構(gòu)成。

　　端口控制模塊實現(xiàn)CAN節(jié)點A／B收發(fā)數(shù)據(jù)；總線接口模塊用于接收來自CPU的片選、時鐘、地址、讀寫信號等信息，實現(xiàn)與CPU的信息交互；中斷控制模塊負責整理中斷源信息，向CPU發(fā)出中斷信號；雙CAN控制模塊是一個全局控制接口，他包括初始化邏輯、全局控制和狀態(tài)邏輯以及中斷請求接收器；報文緩沖單元包含報文緩沖區(qū)、FIFO緩沖區(qū)管理、網(wǎng)關控制邏輯以及一個基于中斷請求發(fā)生單元的報文。CAN節(jié)點A／B分別又包括位流處理器、位定時控制單元、錯誤處理邏輯、中斷請求產(chǎn)生單元和節(jié)點控制邏輯。其中CAN節(jié)點A／B、報文對象緩沖器、雙CAN控制模塊等模塊構(gòu)成了獨立雙CAN控制器的核心。圖2給出了這幾個核心模塊的詳細結(jié)構(gòu)。

　　3 基于獨立雙CAN控制器的中繼器設計

　　獨立的雙CAN控制器支持在兩個單獨CAN總線之間的信息自動傳輸，他的網(wǎng)關功能是通過兩個單獨的CAN節(jié)點共享的CAN報文對象存儲器來實現(xiàn)的，使報文轉(zhuǎn)發(fā)不用CPU的干預。通過對報文配置寄存器中的報文對象CAN節(jié)點選擇位的設置，使每一個存儲在報文存儲器中的報文對象關系到節(jié)點A或節(jié)點B。兩個節(jié)點之間的信息交換可以通過聯(lián)結(jié)兩個報文對象(正常網(wǎng)關模式)或通過共享一個共同的報文對象(共享網(wǎng)關模式)來實現(xiàn)。本文中以共享網(wǎng)關模式來設計一個CAN中繼器。

　　所設計的中繼器可以實現(xiàn)CAN節(jié)點A將與他相連的數(shù)據(jù)源所連續(xù)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀通過CAN節(jié)點B自動發(fā)送到目標方的CAN總線上，反之亦然。

　　3.1 CAN中繼器的硬件設計

　　CAN中繼器主要由微控制器和兩路CAN控制器接口組成。現(xiàn)在這個中繼器的微控制器(CPU)由89C52來充當，他負責整個中繼器的監(jiān)控任務。兩路CAN控制器接口使用獨立雙CAN控制器82C900、光電耦合電路和CAN總線驅(qū)動器82C250組成。兩路CAN接口的CAN總線驅(qū)動器都采用帶隔離的DC／DC模塊單獨供電。這樣不僅實現(xiàn)了兩路CAN接口之間的電器隔離，也實現(xiàn)了CAN中繼器與總線之間的隔離。采取隔離措施，可以使故障局限在某一網(wǎng)段內(nèi)，而不至于影響其他網(wǎng)段，既便于維護又保證了系統(tǒng)的安全。圖3給出了CAN中繼器的硬件結(jié)構(gòu)。

　　除了上述的器件，該CAN中繼器的硬件還包括：LED指示燈、E2PROM、Watch Dog等部分。在這里共使用了7個LED燈：1個用于上電指示，4個用于兩路CAN接口的接收和發(fā)送指示燈，另外2個用于兩路CAN接口的通信故障指示。通過這些LED指示燈就可以基本了解整個系統(tǒng)的當前運行狀態(tài)。在復位電路設計中，采用了3種復位方式，即上電復位、手動復位和軟件復位。上電后，89C52、82C900 等即可復位；另外還可以通過手動開關強制復位；軟件復位主要是由看門狗Watch Dog(MAX1232)進行控制，當軟件運行出現(xiàn)死循環(huán)時，看門狗發(fā)送復位信號，對系統(tǒng)復位以保證軟件的順利運行，這樣設計便于調(diào)試和處理整個系統(tǒng)運行時出現(xiàn)的問題。E2PROM采用具有1 kB容量的24LC08，他用于保存CAN中繼器的配置參數(shù)等信息，以便于系統(tǒng)的靈活配置。

　　3.2 CAN中繼器的軟件設計

　　圖4表示了在該中繼器中獨立雙CAN控制器的工作狀態(tài)。接收數(shù)據(jù)幀的節(jié)點為源方，而經(jīng)過中繼器發(fā)送數(shù)據(jù)幀的節(jié)點為目標方。一個共享報文對象設置為源方的接收對象，當數(shù)據(jù)幀發(fā)送位GDFS置為1(即設為對應的數(shù)據(jù)幀自動發(fā)送)時他接收到一個數(shù)據(jù)幀，通過對報文對象節(jié)點選擇位NODE(0表示該報文對象分配給CAN節(jié)點A，1表示該節(jié)點分配給CAN節(jié)點B)和報文對象方向控制位DIR(0為接收對象，1為發(fā)送對象)取反，報文對象發(fā)送請求位置位，該報文對象轉(zhuǎn)為目標方的一個發(fā)送對象，同時發(fā)送相關的數(shù)據(jù)幀，而不需要任何CPU的干預。在報文對象發(fā)送成功后，報文對象發(fā)送請求位復位，共享報文對象返回到作為與源方關聯(lián)的接收對象的初始功能。

　　對于CPU而言，由于通信對時間的要求，進行軟件設計時要求做到轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的時間盡量短，因此CPU在接收數(shù)據(jù)時都是采用中斷方式。

　　CAN中繼器的軟件設計主要包括以下幾部分：初始化程序、主監(jiān)控程序、中繼器功能中斷子程序等。

　　在初始化程序中，89C52初始化是對芯片的I／O和堆棧等進行初始設定，使其能正常工作；雙CAN控制器初始化主要是指設置模式、總線時序、中斷使能、屏蔽碼和ID號等，這些設置是通過配置82C900芯片內(nèi)部寄存器來實現(xiàn)的。

　　主監(jiān)控程序負責監(jiān)控整個系統(tǒng)，當發(fā)現(xiàn)中斷時調(diào)用相應的中斷服務程序。當主監(jiān)控程序接收到某一節(jié)點的接收報文中斷時，調(diào)用中繼器功能中斷子程序。中繼器功能中斷子程序會實現(xiàn)圖4中所示的接收、轉(zhuǎn)發(fā)報文的過程，實現(xiàn)中繼器功能。圖5是CAN總線中繼器的軟件程序流程圖。

　　3.3 兩種CAN中繼器性能比較

　　基于兩片獨立的CAN控制器的CAN中繼器在進行存儲轉(zhuǎn)發(fā)時，是先將一個CAN節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)幀從其控制器FIFO中讀出并存儲到CPU的內(nèi)部緩存中，再由CPU的內(nèi)部緩存將數(shù)據(jù)幀寫到另一個CAN節(jié)點控制器的FIFO中并發(fā)送。

　　基于獨立雙CAN控制器的CAN中繼器利用獨立雙CAN控制器中特有的網(wǎng)關功能，以及他的兩個CAN節(jié)點共享FIFO的特性，所以在工作時只要通過配置雙CAN控制器相應寄存器的值(如報文對象的報文配置寄存器、報文對象的網(wǎng)關控制寄存器)就可以實現(xiàn)將一個節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)幀存于共享FIFO中，再由另一個節(jié)點直接從共享FIFO中讀出并發(fā)送。

　　由于報文不需要在CPU的內(nèi)部存儲空間中轉(zhuǎn)，使用獨立雙CAN控制器的CAN中繼器CPU與控制器之間的數(shù)據(jù)交互要遠少于基于兩片獨立的CAN控制器的CAN中繼器，最大程度上減少了數(shù)據(jù)存儲轉(zhuǎn)發(fā)的時間，縮小了通信時延，提高了系統(tǒng)的實時性。

　　同時基于獨立雙CAN控制器的CAN中繼器由于存儲轉(zhuǎn)發(fā)時不使用CPU內(nèi)部存儲空間，也就避免了在通信任務較重時，因為CPU內(nèi)部存儲空間有限而造成的幀丟失現(xiàn)象，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。

　　通過以上分析，我們可以發(fā)現(xiàn)基于獨立雙CAN控制器的CAN中繼器在實時性和可靠性上都優(yōu)于基于兩片獨立的CAN控制器的CAN中繼器。

　　4 結(jié) 語

　　基于獨立雙CAN控制器的CAN中繼器由于利用雙CAN控制器本身的內(nèi)置FIFO和網(wǎng)關功能的特性，避免了受到CPU內(nèi)部存儲空間的限制，最大限度地減少了CPU對處理報文的負擔、縮小通信時延，改善了通信系統(tǒng)的實時性和可靠性。實踐證明，該中繼器工作時性能穩(wěn)定，實時性和可靠性都有明顯提高，但是他的軟件設計比較復雜，希望以后能找到更好的軟件算法。