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    CAN（Controller Area Network，控制器局域網）總線是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，是現場總線的一種。CAN總線具有通信速率高、開放性好、糾錯能力強和系統成本低等優點，現已在機械工業、機器人、醫療器械等各種領域中得到了廣泛的應用。

    然而由于受到CAN收發器的限制，在一個CAN總線網絡中最多只能有110個CAN節點，最大只能達到10 km的通信距離，所以當所需CAN總線網絡規模超出以上限制時就必須進行CAN總線網絡的擴展。目前一般的擴展方式是加入CAN總線中繼器。CAN中繼器的主要任務是在兩個CAN網段之間實現數據的轉發，他具有過濾通信量，擴大通信距離，增加節點的最大數目，允許各個網段使用不同的通信速率，提高可靠性，改善網絡性能等優點，是CAN組網的關鍵設備之一。在稍大型的CAN總線網絡中經常會用到中繼器。

    通常CAN中繼器都是基于兩片獨立的CAN控制器實現的。這樣的CAN中繼器雖然可以擴大通信距離、增加節點的最大數目，但是由于他的數據存儲轉發要通過CPU的內部緩存中轉，使得CPU與CAN控制器之間的數據交互過多，從而造成通信系統的時延增加，實時性能變差，CPU的負擔變重。同時當網絡負擔較重時，還會因為CPU的內部緩存容量有限，造成幀丟失現象，使系統可靠性變差。然而，實時性和可靠性對通信系統而言是非常重要的。

    針對上述中繼器在實時性和可靠性上的缺點，我們采用獨立雙CAN控制器作為兩路CAN接口的控制器來設計CAN中繼器。利用獨立雙CAN控制器的內置FIFO和網關的特性，使兩個CAN節點共享雙CAN模塊的資源，允許在兩個單獨的CAN節點之間直接通過FIFO進行數據交換，而不使用CPU內部緩存中轉，這樣減少了CPU與控制器之間的數據交互，優化了CAN總線的傳輸，大幅度減少了CPU的負荷，改善了整個系統的實時性和可靠性。

2 獨立雙CAN控制器簡介

    獨立雙CAN控制器包括兩個全CAN功能節點。但他并不是這兩個CAN節點簡單的組合，而是這兩者既可以獨立使用，又可以通過雙CAN控制器的網關功能，設計出可以大幅度減輕CPU負擔的中繼器的設備。除此之外，雙CAN控制器還具有節電功能、更多的中斷功能和增強的濾波功能等，他與微控制器的信息交換通道也有串行和并行兩種選擇。

    圖1給出了獨立雙CAN控制器的結構框圖。他由CAN節點A/B、報文對象緩沖器、雙CAN控制模塊、端口控制、總線接口、中斷控制等模塊構成。

3 基于獨立雙CAN控制器的中繼器設計

    獨立的雙CAN控制器支持在兩個單獨CAN總線之間的信息自動傳輸，他的網關功能是通過兩個單獨的CAN節點共享的CAN報文對象存儲器來實現的，使報文轉發不用CPU的干預。通過對報文配置寄存器中的報文對象CAN節點選擇位的設置，使每一個存儲在報文存儲器中的報文對象關系到節點A或節點B。兩個節點之間的信息交換可以通過聯結兩個報文對象（正常網關模式）或通過共享一個共同的報文對象（共享網關模式）來實現。本文中以共享網關模式來設計一個CAN中繼器。

    所設計的中繼器可以實現CAN節點A將與他相連的數據源所連續發送的數據幀通過CAN節點B自動發送到目標方的CAN總線上，反之亦然。

3.1 CAN中繼器的硬件設計

    CAN中繼器主要由微控制器和兩路CAN控制器接口組成。現在這個中繼器的微控制器（CPU）由89C52來充當，他負責整個中繼器的監控任務。兩路CAN控制器接口使用獨立雙CAN控制器82C900、光電耦合電路和CAN總線驅動器82C250組成。兩路CAN接口的CAN總線驅動器都采用帶隔離的DC/DC模塊單獨供電。這樣不僅實現了兩路CAN接口之間的電器隔離，也實現了CAN中繼器與總線之間的隔離。采取隔離措施，可以使故障局限在某一網段內，而不至于影響其他網段，既便于維護又保證了系統的安全。圖3給出了CAN中繼器的硬件結構。

3.2 CAN中繼器的軟件設計

    圖4表示了在該中繼器中獨立雙CAN控制器的工作狀態。接收數據幀的節點為源方，而經過中繼器發送數據幀的節點為目標方。一個共享報文對象設置為源方的接收對象，當數據幀發送位GDFS置為1（即設為對應的數據幀自動發送）時他接收到一個數據幀，通過對報文對象節點選擇位NODE（0表示該報文對象分配給CAN節點A，1表示該節點分配給CAN節點B）和報文對象方向控制位DIR（0為接收對象，1為發送對象）取反，報文對象發送請求位置位，該報文對象轉為目標方的一個發送對象，同時發送相關的數據幀，而不需要任何CPU的干預。在報文對象發送成功后，報文對象發送請求位復位，共享報文對象返回到作為與源方關聯的接收對象的初始功能。

   CAN中繼器的軟件設計主要包括以下幾部分：初始化程序、主監控程序、中繼器功能中斷子程序等。

    在初始化程序中，89C52初始化是對芯片的I/O和堆棧等進行初始設定，使其能正常工作；雙CAN控制器初始化主要是指設置模式、總線時序、中斷使能、屏蔽碼和ID號等，這些設置是通過配置82C900芯片內部寄存器來實現的。

    主監控程序負責監控整個系統，當發現中斷時調用相應的中斷服務程序。當主監控程序接收到某一節點的接收報文中斷時，調用中繼器功能中斷子程序。中繼器功能中斷子程序會實現圖4中所示的接收、轉發報文的過程，實現中繼器功能。圖5是CAN總線中繼器的軟件程序流程圖。

    基于兩片獨立的CAN控制器的CAN中繼器在進行存儲轉發時，是先將一個CAN節點接收到的數據幀從其控制器FIFO中讀出并存儲到CPU的內部緩存中，再由CPU的內部緩存將數據幀寫到另一個CAN節點控制器的FIFO中并發送。

    基于獨立雙CAN控制器的CAN中繼器利用獨立雙CAN控制器中特有的網關功能，以及他的兩個CAN節點共享FIFO的特性，所以在工作時只要通過配置雙CAN控制器相應寄存器的值（如報文對象的報文配置寄存器、報文對象的網關控制寄存器）就可以實現將一個節點接收到的數據幀存于共享FIFO中，再由另一個節點直接從共享FIFO中讀出并發送。

    由于報文不需要在CPU的內部存儲空間中轉，使用獨立雙CAN控制器的CAN中繼器CPU與控制器之間的數據交互要遠少于基于兩片獨立的CAN控制器的CAN中繼器，最大程度上減少了數據存儲轉發的時間，縮小了通信時延，提高了系統的實時性。

    同時基于獨立雙CAN控制器的CAN中繼器由于存儲轉發時不使用CPU內部存儲空間，也就避免了在通信任務較重時，因為CPU內部存儲空間有限而造成的幀丟失現象，極大地提高了系統的可靠性。

    通過以上分析，我們可以發現基于獨立雙CAN控制器的CAN中繼器在實時性和可靠性上都優于基于兩片獨立的CAN控制器的CAN中繼器。

4 結 語

    基于獨立雙CAN控制器的CAN中繼器由于利用雙CAN控制器本身的內置FIFO和網關功能的特性，避免了受到CPU內部存儲空間的限制，最大限度地減少了CPU對處理報文的負擔、縮小通信時延，改善了通信系統的實時性和可靠性。實踐證明，該中繼器工作時性能穩定，實時性和可靠性都有明顯提高，但是他的軟件設計比較復雜，希望以后能找到更好的軟件算法。