基于LPC2194的4路CAN網(wǎng)橋設(shè)計(jì)
中國礦業(yè)大學(xué) 金勇 趙宗平 于寧寧 杜存功
摘要： 4路CAN網(wǎng)橋可以延長CAN傳輸距離，擴(kuò)展CAN通信網(wǎng)絡(luò)；同時(shí)具有路由功能，可實(shí)現(xiàn)不同CAN網(wǎng)絡(luò)之間的不同路由、不同通信速率的轉(zhuǎn)換，能夠在大型CAN網(wǎng)絡(luò)中起到關(guān)鍵作用。
Abstract：
Key words :
CAN總線以其設(shè)計(jì)獨(dú)特、成本低、可靠性高、實(shí)時(shí)性和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在汽車工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、紡織工業(yè)、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。從高速網(wǎng)絡(luò)到低速的多路接線網(wǎng)絡(luò)都可以使用CAN總線，其最高傳輸速率可以達(dá)到1 Mbps，最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)10 km(傳輸速率在5 kbps以下時(shí))。但是當(dāng)要求傳輸速率較高且傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)，單條總線就無法完成；而且在大型的網(wǎng)絡(luò)中，經(jīng)常需要多條總線的接入。這就需要同時(shí)有中繼與路由功能的CAN網(wǎng)橋來實(shí)現(xiàn)以上功能。
本文設(shè)計(jì)的4路CAN網(wǎng)橋可以延長CAN傳輸距離，擴(kuò)展CAN通信網(wǎng)絡(luò)；同時(shí)具有路由功能，可實(shí)現(xiàn)不同CAN網(wǎng)絡(luò)之間的不同路由、不同通信速率的轉(zhuǎn)換，能夠在大型CAN網(wǎng)絡(luò)中起到關(guān)鍵作用。
1 4路CAN網(wǎng)橋的設(shè)計(jì)方案
1．1 CAN網(wǎng)橋的優(yōu)點(diǎn)
使用4路CAN網(wǎng)橋?qū)W(wǎng)絡(luò)性能的改善有著很大的幫助，在大型網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)中有以下優(yōu)點(diǎn)：
①可以延長網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離，特別是經(jīng)過幾個(gè)CAN網(wǎng)橋的中繼之后，可以極大地延長傳輸距離，能夠達(dá)到幾千米甚至幾十千米。
②可以增大CAN網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，4路CAN網(wǎng)橋有4個(gè)CAN支路，每條支路又可以增加新的CAN網(wǎng)橋，因此可以組成大規(guī)模的CAN網(wǎng)絡(luò)。
③可以實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間不同路由的選擇，增強(qiáng)了CAN網(wǎng)絡(luò)的可靠性。
1．2 設(shè)計(jì)方案
CAN網(wǎng)橋的設(shè)計(jì)方案一般分為單MCU和多MCU兩種。單MCU速度較慢，不適用于高速網(wǎng)絡(luò)；多MCU方案結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性較差。針對以上情況，本設(shè)計(jì)采用了自帶4路CAN控制器的ARM微控制器LPC2194，同時(shí)避免了MCU速度慢和多MCU網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的情況。
LPC2194的特點(diǎn)如下：
①具有32位的ARM7微控制器，帶有256 KB的嵌入式高速Flash存儲(chǔ)器。32位代碼能夠在最高時(shí)鐘頻率下運(yùn)行，且功耗極低，處理速度極快。
②自帶4路互聯(lián)的CAN控制器，完全支持CAN2．0B和ISO1198-1的標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)CAN控制器均可以實(shí)現(xiàn)1Mbps的速率。其全局驗(yàn)收濾波器可識(shí)別所有總線的11位和29位Rx標(biāo)識(shí)符，相對于SJA1000的CAN控制器有著明顯的優(yōu)勢。
2 4路CAN網(wǎng)橋的硬件設(shè)計(jì)
2．1 總體設(shè)計(jì)
由于LPC2194集成4路CAN控制器，因此能夠方便地實(shí)現(xiàn)4路CAN總線接口，既減小了系統(tǒng)的規(guī)模，又提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)采用LPC2194作為主控芯片，具有隔離和保護(hù)的CTM8251T作為CAN收發(fā)器。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2．2 微控制器與CTM8251T的接口設(shè)計(jì)
CTM8251T是一款帶隔離的通用CAN收發(fā)器模塊。該模塊內(nèi)部集成了所有必需的CAN隔離及CAN收發(fā)器件，具有2 500 V的隔離功能和CAN-bus總線過壓保護(hù)作用。該模塊符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)，因此可以與其他遵從ISO11898標(biāo)準(zhǔn)的CAN收發(fā)器相互操作。由于微控制器LPC2194集成的4路CAN控制器完全相同，因此本設(shè)計(jì)中只給出1路CAN控制器與CTM8251T的連接圖，如圖2所示。
3 4路CAN網(wǎng)橋的軟件設(shè)計(jì)
4路CAN網(wǎng)橋不同于一般的CAN中繼器，可以選擇不同的路由和不同的通信速率。本設(shè)計(jì)中，4路CAN接口均可以實(shí)現(xiàn)與其他3路之間不同路由的選擇和不同通信速率之間的轉(zhuǎn)換，極大地增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性。4路CAN網(wǎng)橋的工作模式分為兩種：配置模式，可以選擇路由和不同支路的CAN通信速率；正常工作模式，根據(jù)所配置的狀態(tài)來進(jìn)行工作。
3．1 配置模式
配置模式的主要工作是將配置信息寫入EEPROM中，在正常工作時(shí)可以讀取配置的信息。配置模式的程序流程如圖3所示。
3．2 正常工作模式
在配置模式下配置好各信息后，系統(tǒng)重新上電可以進(jìn)入正常工作模式。根據(jù)配置模式配置的狀態(tài)，4路網(wǎng)橋?qū)W(wǎng)絡(luò)中的信息進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)。在LPC2194中，4路CAN控制器是同時(shí)工作的，因此能夠提高系統(tǒng)的速度和實(shí)時(shí)性。每一路的結(jié)構(gòu)和程序是相同的，因此本設(shè)計(jì)僅給出1路CAN控制器正常工作的程序設(shè)計(jì)。
為了提高系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換速度和穩(wěn)定性，本設(shè)計(jì)采用了中斷接收和查詢發(fā)送的方式。系統(tǒng)中斷接收CAN總線上的數(shù)據(jù)，并根據(jù)路由選擇和標(biāo)識(shí)符的分配選擇發(fā)送到其他3路，從而完成網(wǎng)橋的工作。系統(tǒng)主程序和中斷程序流程分別如圖4和圖5所示。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計(jì)了一個(gè)通信收包率的實(shí)驗(yàn)。通過PC機(jī)間隔一定的時(shí)間，向CAN網(wǎng)橋一條支路發(fā)送8字節(jié)的數(shù)據(jù)，網(wǎng)橋的另一條支路向PC機(jī)回復(fù)接收到的8字節(jié)數(shù)據(jù)。通過對比發(fā)送和接收的字節(jié)數(shù)來驗(yàn)證收包率。分別以100 ms、10 ms、5 ms、1 ms的間隔來發(fā)送8字節(jié)的數(shù)據(jù)，發(fā)送和接收到的字節(jié)數(shù)為：
①間隔100 ms時(shí)，發(fā)送1 336個(gè)字節(jié)，接收1 336個(gè)字節(jié)，收包率為100％；
②間隔10 ms時(shí)，發(fā)送3 376個(gè)字節(jié)，接收3 376個(gè)字節(jié)，收包率為100％；
③間隔5 ms時(shí)，發(fā)送4 056個(gè)字節(jié)，接收4 056個(gè)字節(jié)，收包率為100％；
④間隔1 ms時(shí)，發(fā)送5 336個(gè)字節(jié)，接收5 336個(gè)字節(jié)，收包率為100％。
其中，間隔1 ms時(shí)的發(fā)送和接收圖如圖6所示。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在以不同間隔發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，網(wǎng)橋都能很好地完成工作，可滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。
結(jié) 語
本文設(shè)計(jì)的4路CAN網(wǎng)橋采用功能強(qiáng)大的ARM芯片LPC2194作為主控芯片，因此能夠及時(shí)地處理4路CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸。通過具體實(shí)驗(yàn)證明，該網(wǎng)橋工作穩(wěn)定、可靠、使用方便，完全滿足現(xiàn)場的需求。
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