基于ADG663的CAN總線網(wǎng)絡擴展方案設計

1. 引言
CAN(Controller Area Network)總線屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是德國Bosch公司在20世紀80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。自Bosch公司推出CAN總線至今，CAN總線以其系統(tǒng)的實用性、可靠性和經(jīng)濟性而倍受青睞，并獲得了長足的進步。CAN總線是目前惟一有國際標準的現(xiàn)場總線，可實現(xiàn)全分布式多機系統(tǒng)，采用非破壞性總線仲裁技術，可滿足不同的實時要求，通信距離最遠可達10km(傳輸率為 5Kb／s)，通信速率最高可達lMb／s(傳輸距離為40m)；節(jié)點數(shù)可達110個，傳輸介質為雙絞線或光纖，報文采用短幀結構,帶有CRC校驗以及其他檢錯措施,使得數(shù)據(jù)出錯率極低, 可靠性極高。CAN總線以其卓越的特性，低廉的價格，極高的可靠性和靈活的結構，已被公認為最有前途的現(xiàn)場總線之一。

正由于CAN總線具有諸多其他總線無法比擬的特性，所以CAN在許多場合應用廣泛。然而，有時由于工程項目的特殊要求，需要CAN總線連接更多的節(jié)點或是更遠的通信距離，這就必須對CAN總線網(wǎng)絡進行擴展。目前比較常用的CAN總線擴展方法是利用CAN中繼器將兩個CAN總線網(wǎng)絡連接起來，如周立功的 CANrep-AB型智能全隔離CAN中繼器、CAN-3202智能CAN總線兩路中繼網(wǎng)橋、XYCANR2雙端口CAN光電隔離中繼器、ADAM- 4515 CAN中繼器以及WT406-CAN CAN總線中繼模塊等。這些CAN中繼器都是采用微控制器對兩個CAN網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)進行分別存儲和相互轉發(fā)，從而實現(xiàn)兩個網(wǎng)絡的連接和雙向的數(shù)據(jù)傳輸。如果要利用中繼器實現(xiàn)CAN總線網(wǎng)絡的擴展就必須增加相應的微控制器：CAN控制器和CAN驅動器。這樣就增加了系統(tǒng)成本，提高了工程造價。

基于上述問題，我們設計了一種基于模擬開關ADG663的CAN總線網(wǎng)絡擴展方案。利用模擬開關可以分時導通的特性，我們將微控制器經(jīng)過CAN控制器出來的信號分時的打到兩個位于不同CAN網(wǎng)絡的CAN驅動器上，這樣就可以把微控制器分時的掛到兩個CAN網(wǎng)絡上，實現(xiàn)兩個CAN網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)交換，從而實現(xiàn)了 CAN總線網(wǎng)絡的無中繼擴展。如圖1所示，將網(wǎng)絡相鄰處的微控制器通過模擬開關分時復用的連接到兩個CAN網(wǎng)絡上，既能實現(xiàn)網(wǎng)絡的擴展又能完成本節(jié)點的測控任務，從而省去了中繼器，降低了系統(tǒng)成本。根據(jù)CAN通信的特點，要對兩路CAN信號進行切換，我們采用獨立四通道可控模擬開關ADG663，通過對其控制引腳進行編程控制實現(xiàn)微控制器在兩個CAN總線網(wǎng)絡中的切換。

2. ADG663簡介

ADG663 是ADI公司生產(chǎn)的集成COMS開關器件。它包含4個獨立的可選模擬開關通道，可以由控制端方便的控制其通斷。這些通道具有很低的導通電阻和很寬的信號輸入范圍，可實現(xiàn)精確的模擬信號切換。整個器件基于ADI公司先進的線性兼容CMOS（LC2MOS）工藝制作而成，具有低漏電流、超低功耗、高速工作時極小的電荷積累等特點。尤其是ADG663的四通道中有兩通道是高電平導通，而另外兩個是低電平導通，這樣不光使得模擬開關的控制信號非常簡單，而且使得 CAN總線收發(fā)切換更加同步。ADG663的功能框圖如圖2所示IN1～IN4為控制信號端，S1～S4為輸入信號，D1～D4為對應的輸出信號。

3. 基于ADG663的CAN總線網(wǎng)絡擴展

3.1 擴展電路的硬件設計
在CAN總線網(wǎng)絡中，我們用于檢測的微控制器選用微芯公司新款集成CAN總線控制器的PIC18F458芯片，它是8位CMOS單片機，內(nèi)部采用哈佛總線結構，使得全部指令單字節(jié)、單周期化，有利于提高CPU執(zhí)行指令的速度，從而提高單片機的運行速度。而CAN驅動器我們選用微芯公司的CAN總線驅動芯片MCP2551，它完全兼容ISO 11898標準，最高速率可達1Mb/s，提供了比82C250更好電磁輻射和抗電磁干擾能力性能。利用ADG663擴展CAN總線網(wǎng)絡的原理如圖3所示，由于ADG663的特點，微控制器僅用一根口線就可以實現(xiàn)兩個CAN驅動器之間的切換，并同時保證微處理器對每一個CAN驅動器的收發(fā)同步以及微處理器在任意時刻均掛在總線上，還可以提高模擬開關切換時的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3.2 擴展電路的軟件編程
基于CAN總線的即插即用接口特性，這種擴展方式只需改變中轉節(jié)點的編程，而無須對其余節(jié)點進行修改。編寫中轉節(jié)點的程序使其在完成自身的測控任務的同時實現(xiàn)對兩邊數(shù)據(jù)的存儲和轉發(fā)。要同時完成這兩個任務，必須保證微控制器的工作頻率遠大于CAN總線的位速率，這樣可以確保微處理器有足夠的時間存儲和轉發(fā)兩個網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)。由于微處理器利用模擬開關在兩個CAN網(wǎng)絡中切換，在理論上必定會導致總線上部分數(shù)據(jù)丟失，這就必須要求測量節(jié)點對其傳輸數(shù)據(jù)進行適當?shù)闹匕l(fā)，從而可以保證數(shù)據(jù)可以完整的相互交換。對于中轉節(jié)點，在原有的測量節(jié)點程序中，加入定時器定時，以決定模擬開關的切換頻率。同時當微控制器連接到某一網(wǎng)絡后，微處理器不光要將自身檢測信息和控制信號以及接著另一個網(wǎng)絡時存儲的信息全部發(fā)送出去，而且還要中斷接收這個網(wǎng)絡其他節(jié)點的信息并存儲，等到模擬開關切換時進行發(fā)送。節(jié)點信息重發(fā)的次數(shù)由微處理器的工作頻率以及CAN總線的傳輸速率綜合決定。選擇合適的次數(shù)使得一方面總線的冗余信息不會過多，另一方面模擬開關的切換過程中微處理器不會丟失掉過多的信息。

4. 結束語
本文討論的這種基于模擬乘法器ADG663的CAN總線網(wǎng)絡擴展方案省去了CAN中繼器，簡化了系統(tǒng)硬件連接，降低了系統(tǒng)成本，為CAN總線的網(wǎng)絡擴展提供了一種簡單有效的實現(xiàn)方法。然而簡化硬件的同時就不可避免的增加了系統(tǒng)軟件的復雜性，并對系統(tǒng)通信速率有了一定限制。因此，該方案適應于數(shù)據(jù)傳輸量不是很大，速率要求不是很高的場合。