基于C8051F040的CAN总线中继器设计与实现

时间：2015-11-30 23:25:21

关键字：中继器 CAN总线 C8051F040 SPI

[导读]0 引言20世纪80年代初，德国BOSCH公司提出了控制器局域网(Controller Area Network，CAN)来解决汽车内部的信号传输问题。由于CAN总线优良的稳定性和实时性能、成熟的仲裁和

0 引言

20世纪80年代初，德国BOSCH公司提出了控制器局域网(Controller Area Network，CAN)来解决汽车内部的信号传输问题。由于CAN总线优良的稳定性和实时性能、成熟的仲裁和同步技术，加上开放式总线结构、短报文高速通讯、远程通讯能力、硬件CRC超强的纠错和扩展功能，以及控制简单、应用成本低等优点，已经被越来越多地应用到分布式远程自动控制、安全监控及电力系统等网络控制系统领域，并被公认为最有前途的现场总线技术之一。

中继器是网络物理层的一种介质连接设备，可以将同一层的两段网络进行互连，也可以实现上下层不同总线的互连，起到网桥和网关的作用。在大中型远程的CAN总线系统中经常会使用到中继器，主要用于监测点众多和测点分布距离远的场合。拉西瓦水电站工程为I等大(1)型工程，枢纽安全监测的测点、仪器设备、测站多，监测系统覆盖面大(10×lOkm)，测量设备之间距离差异较大，距离主控制室较远(长达5km)，为了提高通信网络的抗干扰性并保证适当高的通信速率，需要在网络中加中继器，以对通信链路中的信号加以放大，并对数据报文进行路由和转发。本文提出了一种CAN网络用中继器的设计和实现。

1 系统硬件选型

CAN中继器是CAN总线系统的关键设备之一，要使中继器拥有很好的可靠性，对其MCU的要求也相对较高。我们选择了Silicon Laboratories公司的C805lF040(以下简称F040)单片机作为中继器的MCU。

F040内集成了完全支持CAN2.0A和CAN2.0B的CAN控制器，独立的消息RAM可以处理32条消息对象，每个消息对象都可以进行发送和接收滤波，最高工作速率达到lMbps，能够完成CAN总线协议数据链路层和应用层的所有功能;其中CAN总线的竞争处理、MCU接口、同步、数据的一贯性以及连续性保证，都是由硬件来解决，MCU因此得以腾出大量的时间来处理测量数据和控制命令，从而提高整个系统的实时性。

F040还具有增强型串行外设接口(SPI)提供了访问灵活的全双工串行总线，为中继器之间交换数据提供了良好的接口。SPI可以作为主器件或从器件，有3线工作方式和 4线工作方式，并支持在同一总线上连接多个主器件和从器件。而且在多主环境中禁止主器件方式操作，以避免两个以上主器件试图同时进行数据传输时产生冲突。此外，F040还有大量的存储空间一64kB的片内F1ash和4K+256B的内部RAM，以及外部64kB数据存储器接口，完全满足系统通讯和缓存数据空间的要求。

2 中继器系统硬件结构

CAN总线中继器需要完成将一端的总线上数据完整地传输到另一个MCU所负责的CAN总线上。本文采用易于控制数据流量，处理速度快，功能扩展性好的双MCU的方案，如图1所示。本文中继器设计的主要思想是采用两个F040组成中继系统，利用F040的SPI进行多主通讯，进行互传数据。两个F040的CAN作为连接两边总线。其中，与上面0总线联接的F040的CANO的ID按照模块编号设计;与下面1总线连接的F040的CANl的ID设为0号编号，作为该总线的根模块。

F040的通用端口I/0引脚资源丰富，利用自身的优先权交叉开关译码器可以灵活分配给数字信号作为I/0端口。根据实际的电路需要，把SPI配置到 P0.0~P0.2，中继器的主从端口配置要一致，如图2所示。为了更好、更快地交换数据和中继器的主从转换，充分利用剩余端口，将主从MCU的 P1.6、P1.7、P2.6、P2.7端口对应连接起来。MCU0的状态由P2.6M和P2.7M输出，MCUl通过输入口P2.6S和IP2.7S监测MCU0的状态;MCUl的状态由P1.6S和P1.7S输出，MCU0通过输入口P1.6M和P1.7M监测MCUl的状态。端口之间串联的1k保护电阻，用以防止启动时因两边数据的冲突而导致芯片烧坏。

本系统是用CAN总线将中继器与上下两层网络连接起来，因此在中继器系统中还应有CAN总线传输模块，如图3所示。选择ADI公司生产的 ADuMl201用来实现CAN控制器和CAN收发器之间的电气隔离，这样不仅提高了中继器的可靠性，而且也保护了总线及总线上的其他节点，即增强了系统的稳定性，又提高了系统的抗干扰能力。CAN收发器SN65HVD25l在CANH和ICANL输出引脚间并联一个电阻，作为CAN总线的终端电阻。终端电阻值R6等于传输电缆的特性阻抗，一般取值120Ω，解决了远近端阻抗不匹配的影响。SN65HVD251的Rs引脚为斜率电阻输入引脚，可以改变收发器工作的方式。在CANH和CANL上各自串联电阻R2、R3限流，再通过一组上下拉电阻R4、R5，有效抑制反射波干扰，保持总线处于高阻态时，接收端收到的始终是“1”电平，这样拉高信号的幅度，减少误码率。另外在CANH和CANL之间并联一对方向相反的瞬态二极管Dl、D2，可防雷击，以及防止其他总线上的瞬变干扰。

3 中继器MCU状态控制设计

由于中继器采用双MCU设计，在进行数据传输的时候MCU不仅要监控CAN总线上的数据传输，还要监控SPI的数据传输，尤其是SPI的主从状态正确转换就显得十分重要了，如图4所示。

3.1 MOUO的设计

(1)系统初始化，开CAN0中断，设SPIO为主状态，监测SPIl是否为从状态。如果SPIl长期是主状态，标志通讯错误;

(2)CAN0接收上层发过来的数据，判断SPIl是否为从状态，如果是，就把CAN0数据转发给SPIO并等发送完成，如果不是，就向主节点发送错误状态帧;

(3)设SPI0为从状态，判断SPIl是否为主状态，如果是，就等待SPIl发送数据;如果不是，延时10 ms，再判断还不是，就向主节点发送错误帧;[!--empirenews.page--]

(4)SPIO接收到SPI1的完整数据后，转发给CAN0，向主节点发数据，完成一次通讯。

3.2 MCUl的设计

(1)系统初始化，开CANl中断，设SPll为从状态，准备接收MCU0通过SPIO发来的数据：

(2)监测SPIO是否为主状态，如果是，就等待接收SPIO的数据，如果不是，就返回错误标志位;

(3)接收到SPIO传来的数据，把SPll设为主，开CANl中断，将数据通过CANl发送到下一级相应ID节点;

(4)等待CANl下一级节点发回的回答帧，并判延时10ms是否到，10ms没有收到回答帧，判SPIO是否为从，如果是从，发下一级错误帧，如果不是，等待SPIO转为从的状态;