引 言

　　CAN總線" title="CAN總線">CAN總線是一種串行多主站局域網(wǎng)總線,，被廣泛應(yīng)用于汽車控制系統(tǒng),、自動控制、樓宇自動化,、醫(yī)學(xué)設(shè)備等各個領(lǐng)域,。其傳輸距離遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)可達(dá)10 km,，傳輸速率高,，最高可達(dá)1 Mb／s，容錯性能好,，可靠性能高,。但是由于CAN驅(qū)動器的驅(qū)動能力有限，CAN總線能夠驅(qū)動的節(jié)點(diǎn)數(shù)有限,，一般在100個左右,，同時(shí)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(shí)驗(yàn)室條件下測得在5 Kb／s的通信速率下最遠(yuǎn)通信距離能達(dá)到10 km,；在18 Kb／s的通信速率下最遠(yuǎn)通信距離只能達(dá)到2 km,；而在42 b／s的通信速率下，最遠(yuǎn)通信距離只能達(dá)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(nèi)測試。在實(shí)驗(yàn)中,，發(fā)現(xiàn)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(qū)動節(jié)點(diǎn)數(shù)量也次第下降,。而在通信距離遠(yuǎn),，通信節(jié)點(diǎn)多的大空間場所，比如礦井,、電力監(jiān)控等系統(tǒng)需要CAN總線來傳輸數(shù)據(jù)和監(jiān)控信息的場所,，CAN總線不能滿足要求。

　　如果要實(shí)現(xiàn)通信距離遠(yuǎn),、通信速率高,、總線節(jié)點(diǎn)數(shù)量多CAN總線系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)CAN總線的擴(kuò)展,，就需要一個CAN網(wǎng)關(guān)進(jìn)行橋接,，把CAN總線劃分為幾個子網(wǎng)，增加CAN總線通信節(jié)點(diǎn),，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(jī)" title="PIC單片機(jī)">PIC單片機(jī)的CAN網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)和擴(kuò)展的CAN總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),。

　　1 CAN網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計(jì)及總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　1．1 CAN網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計(jì)

　　CAN網(wǎng)關(guān)作為一種轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，連接在兩個不同的CAN網(wǎng)絡(luò)中,，能夠?qū)崟r(shí)接收來自兩個子網(wǎng)中的信息,，根據(jù)需要篩選或者無條件地把接收到的信息轉(zhuǎn)發(fā)到另外一個網(wǎng)絡(luò)中。CAN總線層次結(jié)構(gòu)分為物理層,、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層,，工作于ISO／OSI參考模式下。CAN網(wǎng)關(guān)在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層完成兩個CAN網(wǎng)的連接,。CAN網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,。

　　CAN網(wǎng)關(guān)可以作為透明網(wǎng)關(guān)和源路由網(wǎng)關(guān)。透明網(wǎng)關(guān)完全按照接收到的幀格式轉(zhuǎn)發(fā),，不改變幀結(jié)構(gòu),，對于用戶，網(wǎng)關(guān)相當(dāng)于透明的,。而源路由網(wǎng)關(guān)由用戶提供路由信息,，網(wǎng)關(guān)按照路由信息對消息進(jìn)行過濾和有選擇性的轉(zhuǎn)發(fā)。

1．2 CAN總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　帶有網(wǎng)關(guān)的CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示,。在這個網(wǎng)路中,，PC機(jī)為主節(jié)點(diǎn),，而CAN節(jié)點(diǎn)作為從節(jié)點(diǎn)。在網(wǎng)絡(luò)的頂層,，由PC機(jī)和網(wǎng)關(guān)構(gòu)成一個主網(wǎng),，在這個主網(wǎng)中PC機(jī)和CAN網(wǎng)關(guān)作為CAN節(jié)點(diǎn)，總線驅(qū)動器驅(qū)動能力可以帶100個cAN節(jié)點(diǎn)左右,。主網(wǎng)中的CAN網(wǎng)關(guān)再作為下一個子網(wǎng)中的主節(jié)點(diǎn),，而其他CAN網(wǎng)關(guān)或是CAN節(jié)點(diǎn)作為從節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成一個子網(wǎng),。這樣通過CAN網(wǎng)關(guān)可以逐環(huán)把網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展下去,，直到最底層的CAN節(jié)點(diǎn)。而在應(yīng)用層上,，用戶可以把網(wǎng)關(guān)配置成透明網(wǎng)關(guān)或是源路由網(wǎng)光,。透明網(wǎng)關(guān)不影響網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，CAN拓展網(wǎng)絡(luò)形成一個多節(jié)點(diǎn),，遠(yuǎn)距離的網(wǎng)絡(luò),。源路由網(wǎng)關(guān)對消息具有過濾性，根據(jù)用戶的配置信息把CAN網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用層上劃分為幾個小網(wǎng),。

這樣,，解決了節(jié)點(diǎn)容量、通信距離,、通信速率的問題,。

　   2 網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)

　　硬件電路開發(fā)采用集成電路，開發(fā)周期短,，成本低,。CPU采用Microchip公司的16位單片機(jī)DSPIC30F6011作為核心部件，其內(nèi)部集成了兩個CAN控制器,，支持CAN 2．0A／B協(xié)議,，CPU的速度可以達(dá)到30 MIPS，程序存儲器空間有132 KB,，內(nèi)部RAM有6 144 B,，數(shù)據(jù)程序存儲器有2 048 B，集成的功能強(qiáng)大,，體積小,，性價(jià)比比較高。物理層采用兩個CAN驅(qū)動器PCA82C250,。其中一組的PCA82C250的RXD,，TXD引腳不是和CPUdsPIC30F6011直接連接，而在中間用光速光藕6N137隔離,。

　　單片機(jī)dsPIC30F6011有兩個通用的UART口,，可以作為和PC機(jī)或其他上位機(jī)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(qū)動LED燈作為指示燈,，預(yù)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(qū)動器部分采用了光電隔離器,，因此電源設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)采用輸出容量1 A的開關(guān)電源LM9076,，而另外一路采用隔離DC／DC模塊電源。這樣CAN子網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)了電氣隔離,，如果一個網(wǎng)絡(luò)出了問題并不影響另外一個網(wǎng)絡(luò)的正常工作,，提高了CAN網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性能。硬件電路設(shè)計(jì)外圍電路少,、設(shè)計(jì)簡單,、成本低。設(shè)計(jì)的CAN網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如圖3所示,。


3 網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)

　　CAN網(wǎng)關(guān)作為消息的轉(zhuǎn)發(fā)器,，要準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地接收兩個CAN發(fā)送的信息,，并且要實(shí)時(shí)發(fā)出去,。對于不斷發(fā)出信息的問題節(jié)點(diǎn)要及時(shí)屏蔽，避免錯誤信息蔓延到另一個CAN網(wǎng)絡(luò),。如果CAN網(wǎng)關(guān)被設(shè)置成透明網(wǎng)關(guān)則直接把一個CAN網(wǎng)絡(luò)的信息轉(zhuǎn)發(fā)到另外一個網(wǎng)絡(luò)中即可,，如果CAN網(wǎng)關(guān)被設(shè)置成和某個區(qū)間ID相關(guān)，則要做一些信息過濾和屏蔽處理,。當(dāng)CAN網(wǎng)關(guān)檢測到總線有錯誤時(shí)，要通過備用的UART口將錯誤信息上發(fā)到上位機(jī)或其他信息處理主機(jī),。

　　CAN網(wǎng)關(guān)的信息接收通過硬件中斷來完成,。當(dāng)總線上有消息時(shí)，引起硬件中斷,，進(jìn)入中斷程序后根據(jù)中斷標(biāo)志位的區(qū)別把接收到的信息存放到相應(yīng)的緩沖區(qū)中,。緩沖區(qū)是一個FIFO的存儲區(qū)。而主程序則一直檢測兩個CAN控制器對應(yīng)的兩個接收緩沖區(qū),，當(dāng)檢測到緩沖區(qū)不為空時(shí)則把緩沖區(qū)內(nèi)的信息順序發(fā)送到另一個網(wǎng)絡(luò)中,。從而形成一個具有一定的錯誤檢測能力的雙向通道，完成了兩個CAN網(wǎng)絡(luò)的信息轉(zhuǎn)發(fā),。CAN網(wǎng)關(guān)的主程序框圖如圖4所示,，中斷程序框圖如圖5所示,。


       4 結(jié) 語

　　詳細(xì)介紹了CAN總線擴(kuò)展技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和系統(tǒng)構(gòu)成，給出了CAN網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)原理及軟件設(shè)計(jì)框圖,。這樣的CAN總線擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò),，因?yàn)橐隒AN網(wǎng)關(guān)而增加了消息的傳遞時(shí)間，但是這個增加的時(shí)間很小,，是微秒級的,，可以忽略不計(jì)。而帶來的優(yōu)勢明顯,，因?yàn)榘袰AN網(wǎng)絡(luò)在物理層上劃分為幾個網(wǎng)絡(luò),，彼此之間不相互影響，因而增加了CAN網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性,，同時(shí),，擴(kuò)展靈活，只需要增加一個CAN網(wǎng)關(guān)來增加子網(wǎng)即可,；通信速率可通過增加網(wǎng)關(guān)來提高,，通信距離可以擴(kuò)展到很遠(yuǎn)。通過CAN網(wǎng)關(guān)增加了CAN總線的容量,、提高了CAN總線的通信速率,、擴(kuò)展了CAN總線的傳輸距離。