基于dsPIC30F6011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總線，被廣泛應用于汽車控制系統、自動控制、樓宇自動化、醫學設備等各個領域。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驅動器的驅動能力有限，CAN總線能夠驅動的節點數有限，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，室內測試。在實驗中，發現隨著隨著通信距離的增加，通信速率迅速下降，而CAN總線的驅動節點數量也次第下降。而在通信 距離遠，通信節點多的大空間場所，比如礦井、電力監控等系統需要CAN總線來傳輸數據和監控信息的場所，CAN總線不能滿足要求。

如果要實現通信距離遠、通信速率高、總線節點數量多CAN總線系統，實現CAN總線的擴展，就需要一個CAN網關進行橋接，把CAN總線劃分為幾個子網，增加CAN總線通信節點，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網關設計和擴展的CAN總線網絡拓撲結構。

1 CAN網關總體設計及總線拓撲結構

1.1 CAN網關總體設計

CAN網關作為一種轉發設備，連接在兩個不同的CAN網絡中，能夠實時接收來自兩個子網中的信息，根據需要篩選或者無條件地把接收到的信息轉發到另外一個 網絡中。CAN總線層次結構分為物理層、數據鏈路層和應用層，工作于ISO/OSI參考模式下。CAN網關在物理層和數據鏈路層完成兩個CAN網的連接。 CAN網關結構圖如圖1所示。

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

1.2 CAN總線網絡拓撲結構

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

這樣，解決了節點容量、通信距離、通信速率的問題。

2 網關的硬件設計

硬件電路開發采用集成電路，開發周期短，成本低。CPU采用Microchip公司的16位單片機dsPIC30F6011作為核心部件，其內部集成了兩 個CAN控制器，支持CAN 2.0A/B協議，CPU的速度可以達到30 MIPS，程序存儲器空間有132 KB，內部RAM有6 144 B，數據程序存儲器有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驅動器PCA82C250。其中一組的PCA82C250的RXD，TXD引腳不是和 CPU dsPIC30F6011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子網之間實現了電氣隔離，如果一個網絡出了問題并不影響另外一個網絡的正常 工作，提高了CAN網絡的抗干擾性能。硬件電路設計外圍電路少、設計簡單、成本低。設計的CAN網關硬件設計系統框圖如圖3所示。