[推薦]PIC單片機的CAN總線擴展技術(shù)

0 引 言
   
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，最遠可達10 km，傳輸速率高，最高可達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)點數(shù)有限，一般在100個左右，同時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。在實驗室條件下測得在5 Kb／s的通信速率下最遠通信距離能達到10 km；在18 Kb／s的通信速率下最遠通信距離只能達到2 km；而在42 b／s的通信速率下，最遠通信距離只能達到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。在實驗中，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)點數(shù)量也次第下降。而在通信距離遠，通信節(jié)點多的大空間場所，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。
   
如果要實現(xiàn)通信距離遠、通信速率高、總線節(jié)點數(shù)量多CAN總線系統(tǒng)，實現(xiàn)CAN總線的擴展，就需要一個CAN網(wǎng)關(guān)進行橋接，把CAN總線劃分為幾個子網(wǎng)，增加CAN總線通信節(jié)點，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單片機的CAN網(wǎng)關(guān)設(shè)計和擴展的CAN總線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

1 CAN網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計及總線拓撲結(jié)構(gòu)

1．1 CAN網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計
   
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行過濾和有選擇性的轉(zhuǎn)發(fā)。

1．2 CAN總線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)
   
帶有網(wǎng)關(guān)的CAN網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。在這個網(wǎng)路中，PC機為主節(jié)點，而CAN節(jié)點作為從節(jié)點。在網(wǎng)絡(luò)的頂層，由PC機和網(wǎng)關(guān)構(gòu)成一個主網(wǎng)，在這個主網(wǎng)中PC機和CAN網(wǎng)關(guān)作為CAN節(jié)點，總線驅(qū)動器驅(qū)動能力可以帶100個cAN節(jié)點左右。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，而其他CAN網(wǎng)關(guān)或是CAN節(jié)點作為從節(jié)點，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)擴展下去，直到最底層的CAN節(jié)點。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，遠距離的網(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)點容量、通信距離、通信速率的問題。

2 網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計
   
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，集成的功能強大，體積小，性價比比較高。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dsPIC30F6011有兩個通用的UART口，可以作為和PC機或其他上位機通信的接口來用。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)計部分要求有兩個隔離的5 V電源�？紤]到可以會用到液晶顯示器，因此一路電源設(shè)計采用輸出容量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)計外圍電路少、設(shè)計簡單、成本低。設(shè)計的CAN網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計系統(tǒng)框圖如圖3所示。

3 網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計
   
CAN網(wǎng)關(guān)作為消息的轉(zhuǎn)發(fā)器，要準確、實時地接收兩個CAN發(fā)送的信息，并且要實時發(fā)出去。對于不斷發(fā)出信息的問題節(jié)點要及時屏蔽，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CAN網(wǎng)關(guān)檢測到總線有錯誤時，要通過備用的UART口將錯誤信息上發(fā)到上位機或其他信息處理主機。