CAN中继器设计及其应用

CAN总线是Bosch公司为现代汽车应用而推出的一种总线，与一般的通讯总线相比，CAN总线的数据通讯具有突出的可靠性、实时性和灵活性。CAN 总线现已广泛应用于产业现场控制、小区安防、环境监控等众多领域中。CAN总线为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主从，通讯方式灵活，且无需站地址等节点信息。

CAN中继器是CAN总线系统组网的关键设备之一，在稍大型的CAN总线系统中经常会用到中继器。本文所讨论的中继器除了具有中继功能以外，还具有一定的网桥功能。由于只要对中继器的初始化参数进行适当配置，就能使中继器既具有报文转发功能，又具有报文过滤功能，这里只是借用了中继器的名称而已。
    使用中继器的优点主要表现在以下几方面：
    （１）过滤通讯量。中继器接收一个子网的报文，只有当报文是发送给中继器所连的另一个子网时，中继器才转发，否则不转发。
    （２）扩大了通讯间隔，但代价是增加了一些存储转发延时。
    （３）增加了节点的最大数目。
    （４）各个网段可使用不同的通讯速率。
    （５）进步了可靠性。当网络出现故障时，一般只影响个别网段。
    （６）性能得到改善。

当然，使用中继器也有一定的缺点，例如：
    （１）由于中继器对接收的帧要先存储后转发，增加了延时。
    （２）CAN总线的MAC子层并没有流量控制功能。当网络上的负荷很重时，可能因中继器中缓冲区的存储空间不够而发生溢出，以致产生帧丢失的现象。
    （３）中继器若出现故障，对相邻两个子网的工作都将产生影响。

CAN中继器主要由89C52和两路CAN控制器接口组成。89C52作为CAN中继器的微控制器，负责整个中继器的监控任务。两路CAN控制器接口电路基本相同，都是由CAN通讯控制器SJA1000、光电耦合电路和CAN总线驱动器82C250组成。CAN总线驱动器都采用带隔离的DC/DC模块单独供电。这样，不仅实现了两路CAN接口之间的电气隔离，也实现了中继器与CAN总线的隔离。固然这在一定程度上增加了中继器硬件的复杂性和本钱，但却是值得的。采取隔离措施可使故障局限在某一网段内，而不至于影响其它网段，既便于维护，又保证了系统设备的安全。

中继器硬件除了以上主要部分以外，还有EEPROM、看门狗和LED指示等部分。几个LED分别用于中继器上电指示和CAN接口当前的接收和发送状态指示，以及接口的通讯故障（如总线封闭）指示。看门狗采用MAX1232。MAX1232具有高电平、低电平上电复位和看门狗功能。EEPROM采用具有1K字节容量的24LC08，可用于保存中继器的配置参数等信息，便于系统的灵活配置。

2 CAN中继器的软件设计

CAN中继器的主要任务是在两个CAN网段之间实现报文的过滤和转发。由于通讯实时性的要求以及CAN中继器CPU中缓存容量有限（89C52内部RAM容量为256个字节），所以在进行软件设计时，要求做到存储转发时间尽量短。为了达到这一要求，CPU采用中断方式接收两个CAN控制器的报文，同时尽量精简CPU收发子程序的代码长度。为了节省内存并对内存实行有效治理，CPU采用了FIFO机制治理内部RAM。为了保证通过中继器传输报文的通讯双方数据的可靠性，唯有使用通讯双方应用层的端端差错控制才能满足要求，但在中继器的软件设计中不宜加进过多的差错控制和流量控制功能，由于这不仅达不到目的，反而还降低了中继器的运行效率，增加了故障隐患。

CAN中继器软件主要包括以下一些子程序：初始化子程序、主监控程序、接收中断子程序和发送子程序等。初始化子程序的编写方法与一般的CAN总线系统智能节点的初始化子程序的编写方法基本相同，只是在对两个CAN控制器进行初始化时应采用不同的初始化参数。下面主要对主监控程序和接收中断子程序进行先容。

2.1 主监控程序的设计

主监控程序负责对两路CAN控制器的接收FIFO缓冲区进行监视，如某一路缓冲区非空则向另一路转发。两路缓冲区的容量大小可采用不对称配置。采用这种不对称配置的一个好处在于可以将容量更大的缓冲区分配给通讯任务更繁忙的一方，从而尽量避免缓冲区出现溢出。FIFO缓冲区共有两个指针：接收数据指针和发送数据指针。当两指针不相等时即证实缓冲区中存有有效数据。缓冲区接收数据指针的调整是通过接收中断子程序实现的，而发送数据指针的调整则通过发送子程序实现。在主监控程序中，还用到了一个请求状态标志，该标志在接收中断子程序中建立，用于中继器及时返回本身故障状态或响应上位机的状态查询命令。当该标志为1时，主监控程序会向上位机发送本身状态，并清除该标志。

2.2 接收中断子程序的设计

中继器接收中断子程序流程图如图２所示。在进进中断后，首先判定中断类型。若为错误警告中断，则进行相应处理并建立标志，若为接收中断则接收报文。在报文接收前，要根据接收报文的长度判定接收缓冲区是否会溢出。若会溢出，则判定是否为状态查询命令，是则置位请求状态标志，对于接收的其它报文则丢弃。若缓冲区不会溢出，则接收该报文。接收报文后取出命令字节，判定是否是中继器状态查询命令，若是则置位请求状态标志，不进行缓冲区参数调整（由于是上位机发送给中继器的命令，只要求中继器作出响应而不要求其转发，所以不能放进缓冲区中）。若不是中继器状态查询命令，则不作处理，只进行缓冲区参数调整，接收报文有效。随后进行开释CAN接收缓冲区、恢复现场和中断返回等工作。

3 CAN中继器在食堂售饭系统的中应用

按上述方法设计的中继器现已成功应用于东华理工学院的食堂售饭系统中。根据学院食堂及各营业网点的实际分布情况，设计的学院食堂售饭系统网络结构如图３所示。从图中可以看出，中继器是组网的关键设备，它将窗口机等终端与服务器连接起来。在该网络结构中，中继器共分两级。中继器1～4为一级中继器，一端与服务器相连，另一端则与各个食堂窗口机等终端构成的子网相连；中继器5为二级中继器，一端与一级中继器相连，另一端与浴室、小卖部等窗口机相连。采用两级中继器的设计，使系统的通讯间隔可达5km以上，网络终端数目几乎不受限制。

该设计方案已投进实际运行，目前系统网络规模为五台中继器、一百多台窗口机，用餐人数近万人。从系统的实际运行情况来看，性能非常稳定可靠，而且维护和扩容方便，大大进步了食堂的治理水平和工作效率。