CAN中繼器設計及其應用

CAN總線是Bosch公司為現(xiàn)代汽車應用而推出的一種總線，與一般的通訊總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通訊具有突出的可靠性、實時性和靈活性。CAN總線現(xiàn)已廣泛應用于產(chǎn)業(yè)現(xiàn)場控制、小區(qū)安防、環(huán)境監(jiān)控等眾多領域中。CAN總線為多主方式工作，網(wǎng)絡上任一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡上其它節(jié)點發(fā)送信息而不分主從，通訊方式靈活，且無需站地址等節(jié)點信息。

CAN中繼器是CAN總線系統(tǒng)組網(wǎng)的關鍵設備之一，在稍大型的CAN總線系統(tǒng)中經(jīng)常會用到中繼器。本文所討論的中繼器除了具有中繼功能以外，還具有一定的網(wǎng)橋功能。由于只要對中繼器的初始化參數(shù)進行適當配置，就能使中繼器既具有報文轉(zhuǎn)發(fā)功能，又具有報文過濾功能，這里只是借用了中繼器的名稱而已。
使用中繼器的優(yōu)點主要表現(xiàn)在以下幾方面：
（１）過濾通訊量。中繼器接收一個子網(wǎng)的報文，只有當報文是發(fā)送給中繼器所連的另一個子網(wǎng)時，中繼器才轉(zhuǎn)發(fā)，否則不轉(zhuǎn)發(fā)。
（２）擴大了通訊間隔，但代價是增加了一些存儲轉(zhuǎn)發(fā)延時。
（３）增加了節(jié)點的最大數(shù)目。
（４）各個網(wǎng)段可使用不同的通訊速率。
（５）進步了可靠性。當網(wǎng)絡出現(xiàn)故障時，一般只影響個別網(wǎng)段。
（６）性能得到改善。

當然，使用中繼器也有一定的缺點，例如：
（１）由于中繼器對接收的幀要先存儲后轉(zhuǎn)發(fā)，增加了延時。
（２）CAN總線的MAC子層并沒有流量控制功能。當網(wǎng)絡上的負荷很重時，可能因中繼器中緩沖區(qū)的存儲空間不夠而發(fā)生溢出，以致產(chǎn)生幀丟失的現(xiàn)象。
（３）中繼器若出現(xiàn)故障，對相鄰兩個子網(wǎng)的工作都將產(chǎn)生影響。

CAN中繼器主要由89C52和兩路CAN控制器接口組成。89C52作為CAN中繼器的微控制器，負責整個中繼器的監(jiān)控任務。兩路CAN控制器接口電路基本相同，都是由CAN通訊控制器SJA1000、光電耦合電路和CAN總線驅(qū)動器82C250組成。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接口之間的電氣隔離，也實現(xiàn)了中繼器與CAN總線的隔離。固然這在一定程度上增加了中繼器硬件的復雜性和本錢，但卻是值得的。采取隔離措施可使故障局限在某一網(wǎng)段內(nèi)，而不至于影響其它網(wǎng)段，既便于維護，又保證了系統(tǒng)設備的安全。

中繼器硬件除了以上主要部分以外，還有EEPROM、看門狗和LED指示等部分。幾個LED分別用于中繼器上電指示和CAN接口當前的接收和發(fā)送狀態(tài)指示，以及接口的通訊故障（如總線封閉）指示?？撮T狗采用MAX1232。MAX1232具有高電平、低電平上電復位和看門狗功能。EEPROM采用具有1K字節(jié)容量的24LC08，可用于保存中繼器的配置參數(shù)等信息，便于系統(tǒng)的靈活配置。

2CAN中繼器的軟件設計

CAN中繼器的主要任務是在兩個CAN網(wǎng)段之間實現(xiàn)報文的過濾和轉(zhuǎn)發(fā)。由于通訊實時性的要求以及CAN中繼器CPU中緩存容量有限（89C52內(nèi)部RAM容量為256個字節(jié)），所以在進行軟件設計時，要求做到存儲轉(zhuǎn)發(fā)時間盡量短。為了達到這一要求，CPU采用中斷方式接收兩個CAN控制器的報文，同時盡量精簡CPU收發(fā)子程序的代碼長度。為了節(jié)省內(nèi)存并對內(nèi)存實行有效治理，CPU采用了FIFO機制治理內(nèi)部RAM。為了保證通過中繼器傳輸報文的通訊雙方數(shù)據(jù)的可靠性，唯有使用通訊雙方應用層的端端差錯控制才能滿足要求，但在中繼器的軟件設計中不宜加進過多的差錯控制和流量控制功能，由于這不僅達不到目的，反而還降低了中繼器的運行效率，增加了故障隱患。

CAN中繼器軟件主要包括以下一些子程序：初始化子程序、主監(jiān)控程序、接收中斷子程序和發(fā)送子程序等。初始化子程序的編寫方法與一般的CAN總線系統(tǒng)智能節(jié)點的初始化子程序的編寫方法基本相同，只是在對兩個CAN控制器進行初始化時應采用不同的初始化參數(shù)。下面主要對主監(jiān)控程序和接收中斷子程序進行先容。

2.1主監(jiān)控程序的設計

主監(jiān)控程序負責對兩路CAN控制器的接收FIFO緩沖區(qū)進行監(jiān)視，如某一路緩沖區(qū)非空則向另一路轉(zhuǎn)發(fā)。兩路緩沖區(qū)的容量大小可采用不對稱配置。采用這種不對稱配置的一個好處在于可以將容量更大的緩沖區(qū)分配給通訊任務更繁忙的一方，從而盡量避免緩沖區(qū)出現(xiàn)溢出。FIFO緩沖區(qū)共有兩個指針：接收數(shù)據(jù)指針和發(fā)送數(shù)據(jù)指針。當兩指針不相等時即證實緩沖區(qū)中存有有效數(shù)據(jù)。緩沖區(qū)接收數(shù)據(jù)指針的調(diào)整是通過接收中斷子程序?qū)崿F(xiàn)的，而發(fā)送數(shù)據(jù)指針的調(diào)整則通過發(fā)送子程序?qū)崿F(xiàn)。在主監(jiān)控程序中，還用到了一個請求狀態(tài)標志，該標志在接收中斷子程序中建立，用于中繼器及時返回本身故障狀態(tài)或響應上位機的狀態(tài)查詢命令。當該標志為1時，主監(jiān)控程序會向上位機發(fā)送本身狀態(tài)，并清除該標志。

2.2接收中斷子程序的設計

中繼器接收中斷子程序流程圖如圖２所示。在進進中斷后，首先判定中斷類型。若為錯誤警告中斷，則進行相應處理并建立標志，若為接收中斷則接收報文。在報文接收前，要根據(jù)接收報文的長度判定接收緩沖區(qū)是否會溢出。若會溢出，則判定是否為狀態(tài)查詢命令，是則置位請求狀態(tài)標志，對于接收的其它報文則丟棄。若緩沖區(qū)不會溢出，則接收該報文。接收報文后取出命令字節(jié)，判定是否是中繼器狀態(tài)查詢命令，若是則置位請求狀態(tài)標志，不進行緩沖區(qū)參數(shù)調(diào)整（由于是上位機發(fā)送給中繼器的命令，只要求中繼器作出響應而不要求其轉(zhuǎn)發(fā)，所以不能放進緩沖區(qū)中）。若不是中繼器狀態(tài)查詢命令，則不作處理，只進行緩沖區(qū)參數(shù)調(diào)整，接收報文有效。隨后進行開釋CAN接收緩沖區(qū)、恢復現(xiàn)場和中斷返回等工作。

3CAN中繼器在食堂售飯系統(tǒng)的中應用

按上述方法設計的中繼器現(xiàn)已成功應用于東華理工學院的食堂售飯系統(tǒng)中。根據(jù)學院食堂及各營業(yè)網(wǎng)點的實際分布情況，設計的學院食堂售飯系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖３所示。從圖中可以看出，中繼器是組網(wǎng)的關鍵設備，它將窗口機等終端與服務器連接起來。在該網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，中繼器共分兩級。中繼器1～4為一級中繼器，一端與服務器相連，另一端則與各個食堂窗口機等終端構(gòu)成的子網(wǎng)相連；中繼器5為二級中繼器，一端與一級中繼器相連，另一端與浴室、小賣部等窗口機相連。采用兩級中繼器的設計，使系統(tǒng)的通訊間隔可達5km以上，網(wǎng)絡終端數(shù)目幾乎不受限制。

該設計方案已投進實際運行，目前系統(tǒng)網(wǎng)絡規(guī)模為五臺中繼器、一百多臺窗口機，用餐人數(shù)近萬人。從系統(tǒng)的實際運行情況來看，性能非常穩(wěn)定可靠，而且維護和擴容方便，大大進步了食堂的治理水平和工作效率。