基于LPC2194的4路CAN網橋設計
中國礦業大學 金勇 趙宗平 于寧寧 杜存功
摘要： 4路CAN網橋可以延長CAN傳輸距離，擴展CAN通信網絡；同時具有路由功能，可實現不同CAN網絡之間的不同路由、不同通信速率的轉換，能夠在大型CAN網絡中起到關鍵作用。
Abstract：
Key words :
CAN總線以其設計獨特、成本低、可靠性高、實時性和抗干擾能力強等特點，在汽車工業、機械工業、紡織工業、機器人、數控機床、醫療器械等領域得到了廣泛的應用。從高速網絡到低速的多路接線網絡都可以使用CAN總線，其最高傳輸速率可以達到1 Mbps，最遠傳輸距離可達10 km(傳輸速率在5 kbps以下時)。但是當要求傳輸速率較高且傳輸距離較遠時，單條總線就無法完成；而且在大型的網絡中，經常需要多條總線的接入。這就需要同時有中繼與路由功能的CAN網橋來實現以上功能。
本文設計的4路CAN網橋可以延長CAN傳輸距離，擴展CAN通信網絡；同時具有路由功能，可實現不同CAN網絡之間的不同路由、不同通信速率的轉換，能夠在大型CAN網絡中起到關鍵作用。
1 4路CAN網橋的設計方案
1．1 CAN網橋的優點
使用4路CAN網橋對網絡性能的改善有著很大的幫助，在大型網絡的組網中有以下優點：
①可以延長網絡的傳輸距離，特別是經過幾個CAN網橋的中繼之后，可以極大地延長傳輸距離，能夠達到幾千米甚至幾十千米。
②可以增大CAN網絡的規模，4路CAN網橋有4個CAN支路，每條支路又可以增加新的CAN網橋，因此可以組成大規模的CAN網絡。
③可以實現不同網絡之間不同路由的選擇，增強了CAN網絡的可靠性。
1．2 設計方案
CAN網橋的設計方案一般分為單MCU和多MCU兩種。單MCU速度較慢，不適用于高速網絡；多MCU方案結構復雜，穩定性較差。針對以上情況，本設計采用了自帶4路CAN控制器的ARM微控制器LPC2194，同時避免了MCU速度慢和多MCU網絡復雜的情況。
LPC2194的特點如下：
①具有32位的ARM7微控制器，帶有256 KB的嵌入式高速Flash存儲器。32位代碼能夠在最高時鐘頻率下運行，且功耗極低，處理速度極快。
②自帶4路互聯的CAN控制器，完全支持CAN2．0B和ISO1198-1的標準，每個CAN控制器均可以實現1Mbps的速率。其全局驗收濾波器可識別所有總線的11位和29位Rx標識符，相對于SJA1000的CAN控制器有著明顯的優勢。
2 4路CAN網橋的硬件設計
2．1 總體設計
由于LPC2194集成4路CAN控制器，因此能夠方便地實現4路CAN總線接口，既減小了系統的規模，又提高了系統的穩定性。本設計采用LPC2194作為主控芯片，具有隔離和保護的CTM8251T作為CAN收發器。系統的整體結構如圖1所示。
2．2 微控制器與CTM8251T的接口設計
CTM8251T是一款帶隔離的通用CAN收發器模塊。該模塊內部集成了所有必需的CAN隔離及CAN收發器件，具有2 500 V的隔離功能和CAN-bus總線過壓保護作用。該模塊符合ISO11898標準，因此可以與其他遵從ISO11898標準的CAN收發器相互操作。由于微控制器LPC2194集成的4路CAN控制器完全相同，因此本設計中只給出1路CAN控制器與CTM8251T的連接圖，如圖2所示。
3 4路CAN網橋的軟件設計
4路CAN網橋不同于一般的CAN中繼器，可以選擇不同的路由和不同的通信速率。本設計中，4路CAN接口均可以實現與其他3路之間不同路由的選擇和不同通信速率之間的轉換，極大地增強了網絡的可擴展性。4路CAN網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，根據所配置的狀態來進行工作。
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，系統重新上電可以進入正常工作模式。根據配置模式配置的狀態，4路網橋對網絡中的信息進行存儲轉發。在LPC2194中，4路CAN控制器是同時工作的，因此能夠提高系統的速度和實時性。每一路的結構和程序是相同的，因此本設計僅給出1路CAN控制器正常工作的程序設計。
為了提高系統的轉換速度和穩定性，本設計采用了中斷接收和查詢發送的方式。系統中斷接收CAN總線上的數據，并根據路由選擇和標識符的分配選擇發送到其他3路，從而完成網橋的工作。系統主程序和中斷程序流程分別如圖4和圖5所示。
4 實驗結果
為了驗證系統的可靠性，設計了一個通信收包率的實驗。通過PC機間隔一定的時間，向CAN網橋一條支路發送8字節的數據，網橋的另一條支路向PC機回復接收到的8字節數據。通過對比發送和接收的字節數來驗證收包率。分別以100 ms、10 ms、5 ms、1 ms的間隔來發送8字節的數據，發送和接收到的字節數為：
①間隔100 ms時，發送1 336個字節，接收1 336個字節，收包率為100％；
②間隔10 ms時，發送3 376個字節，接收3 376個字節，收包率為100％；
③間隔5 ms時，發送4 056個字節，接收4 056個字節，收包率為100％；
④間隔1 ms時，發送5 336個字節，接收5 336個字節，收包率為100％。
其中，間隔1 ms時的發送和接收圖如圖6所示。
實驗結果表明，在以不同間隔發送數據時，網橋都能很好地完成工作，可滿足實際應用的需要。
結 語
本文設計的4路CAN網橋采用功能強大的ARM芯片LPC2194作為主控芯片，因此能夠及時地處理4路CAN總線的數據傳輸。通過具體實驗證明，該網橋工作穩定、可靠、使用方便，完全滿足現場的需求。
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