基于C8O51FO4O的CAN總線中繼器設計與實現

0 引言
20世紀80年代初，德國BOSCH公司提出了控制器局域網(Controller Area Network，CAN)來解決汽車內部的信號傳輸問題。由于CAN總線優良的穩定性和實時性能、成熟的仲裁和同步技術，加上開放式總線結構、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，以及控制簡單、應用成本低等優點，已經被越來越多地應用到分布式遠程自動控制、安全監控及電力系統等網絡控制系統領域，并被公認為最有前途的現場總線技術之一。
中繼器是網絡物理層的一種介質連接設備，可以將同一層的兩段網絡進行互連，也可以實現上下層不同總線的互連，起到網橋和網關的作用。在大中型遠程的CAN總線系統中經常會使用到中繼器，主要用于監測點眾多和測點分布距離遠的場合。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、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(長達5km)，為了提高通信網絡的抗干擾性并保證適當高的通信速率，需要在網絡中加中繼器，以對通信鏈路中的信號加以放大，并對數據報文進行路由和轉發。本文提出了一種CAN網絡用中繼器的設計和實現。

1 系統硬件選型
CAN中繼器是CAN總線系統的關鍵設備之一，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(以下簡稱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，每個消息對象都可以進行發送和接收濾波，最高工作速率達到lMbps，能夠完成CAN總線協議數據鏈路層和應用層的所有功能；其中CAN總線的競爭處理、MCU接口、同步、數據的一貫性以及連續性保證，都是由硬件來解決，MCU因此得以騰出大量的時間來處理測量數據和控制命令，從而提高整個系統的實時性。
F040還具有增強型串行外設接口(SPI)提供了訪問靈活的全雙工串行總線，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線工作方式和4線工作方式，并支持在同一總線上連接多個主器件和從器件。而且在多主環境中禁止主器件方式操作，以避免兩個以上主器件試圖同時進行數據傳輸時產生沖突。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總線中繼器需要完成將一端的總線上數據完整地傳輸到另一個MCU所負責的CAN總線上。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F040組成中繼系統，利用F040的SPI進行多主通訊，進行互傳數據。兩個F040的CAN作為連接兩邊總線。其中，與上面0總線聯接的F040的CANO的ID按照模塊編號設計；與下面1總線連接的F040的CANl的ID設為0號編號，作為該總線的根模塊。

F040的通用端口I／0引腳資源豐富，利用自身的優先權交叉開關譯碼器可以靈活分配給數字信號作為I／0端口。根據實際的電路需要，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。MCU0的狀態由P2．6M和P2．7M輸出，MCUl通過輸入口P2．6S和IP2．7S監測MCU0的狀態；MCUl的狀態由P1．6S和P1．7S輸出，MCU0通過輸入口P1．6M和P1．7M監測MCUl的狀態。端口之間串聯的1k保護電阻，用以防止啟動時因兩邊數據的沖突而導致芯片燒壞。

本系統是用CAN總線將中繼器與上下兩層網絡連接起來，因此在中繼器系統中還應有CAN總線傳輸模塊，如圖3所示。選擇ADI公司生產的ADuMl201用來實現CAN控制器和CAN收發器之間的電氣隔離，這樣不僅提高了中繼器的可靠性，而且也保護了總線及總線上的其他節點，即增強了系統的穩定性，又提高了系統的抗干擾能力。CAN收發器SN65HVD25l在CANH和ICANL輸出引腳間并聯一個電阻，作為CAN總線的終端電阻。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，可以改變收發器工作的方式。在CANH和CANL上各自串聯電阻R2、R3限流，再通過一組上下拉電阻R4、R5，有效抑制反射波干擾，保持總線處于高阻態時，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之間并聯一對方向相反的瞬態二極管Dl、D2，可防雷擊，以及防止其他總線上的瞬變干擾。