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CAN中繼器設(shè)計(jì)及其應(yīng)用
摘要：闡述了ＣＡＮ中繼器的重要作用，詳細(xì)分析了ＣＡＮ中繼器的軟、硬件設(shè)計(jì)方法，并對(duì)其在食堂售飯系統(tǒng)中的應(yīng)用作了分析說明。關(guān)鍵詞：ＣＡＮ總線 ＣＡＮ控制器 ＣＡＮ中繼器
ＣＡＮ總線是Ｂｏｓｃｈ公司為現(xiàn)代汽車應(yīng)用而推出的一種總線，與一般的通信總線相比，ＣＡＮ總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。ＣＡＮ 總線現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場控制、小區(qū)安防、環(huán)境監(jiān)控等眾多領(lǐng)域中。ＣＡＮ總線為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息而不分主從，通信方式靈活，且無需站地址等節(jié)點(diǎn)信息。
ＣＡＮ中繼器是ＣＡＮ總線系統(tǒng)組網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，在稍大型的ＣＡＮ總線系統(tǒng)中經(jīng)常會(huì)用到中繼器。本文所討論的中繼器除了具有中繼功能以外，還具有一定的網(wǎng)橋功能。因?yàn)橹灰獙?duì)中繼器的初始化參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)配置，就能使中繼器既具有報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)功能，又具有報(bào)文過濾功能，這里只是借用了中繼器的名稱而已。
使用中繼器的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾方面：
（１）過濾通信量。中繼器接收一個(gè)子網(wǎng)的報(bào)文，只有當(dāng)報(bào)文是發(fā)送給中繼器所連的另一個(gè)子網(wǎng)時(shí)，中繼器才轉(zhuǎn)發(fā)，否則不轉(zhuǎn)發(fā)。
（２）擴(kuò)大了通信距離，但代價(jià)是增加了一些存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)。
（３）增加了節(jié)點(diǎn)的最大數(shù)目。
（４）各個(gè)網(wǎng)段可使用不同的通信速率。
（５）提高了可靠性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，一般只影響個(gè)別網(wǎng)段。
（６）性能得到改善。
當(dāng)然，使用中繼器也有一定的缺點(diǎn)，例如：
（１）由于中繼器對(duì)接收的幀要先存儲(chǔ)后轉(zhuǎn)發(fā)，增加了延時(shí)。
（２）ＣＡＮ總線的ＭＡＣ子層并沒有流量控制功能。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上的負(fù)荷很重時(shí)，可能因中繼器中緩沖區(qū)的存儲(chǔ)空間不夠而發(fā)生溢出，以致產(chǎn)生幀丟失的現(xiàn)象。
（３）中繼器若出現(xiàn)故障，對(duì)相鄰兩個(gè)子網(wǎng)的工作都將產(chǎn)生影響。
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１ ＣＡＮ中繼器硬件電路設(shè)計(jì)
圖１所示為ＣＡＮ中繼器硬件結(jié)構(gòu)框圖。ＣＡＮ中繼器主要由８９Ｃ５２和兩路ＣＡＮ控制器接口組成。８９Ｃ５２作為ＣＡＮ中繼器的微控制器，負(fù)責(zé)整個(gè)中繼器的監(jiān)控任務(wù)。兩路ＣＡＮ控制器接口電路基本相同，都是由ＣＡＮ通信控制器ＳＪＡ１０００、光電耦合電路和ＣＡＮ總線驅(qū)動(dòng)器８２Ｃ２５０組成。ＣＡＮ總線驅(qū)動(dòng)器都采用帶隔離的ＤＣ／ＤＣ模塊單獨(dú)供電。這樣，不僅實(shí)現(xiàn)了兩路ＣＡＮ接口之間的電氣隔離，也實(shí)現(xiàn)了中繼器與ＣＡＮ總線的隔離。雖然這在一定程度上增加了中繼器硬件的復(fù)雜性和成本，但卻是值得的。采取隔離措施可使故障局限在某一網(wǎng)段內(nèi)，而不至于影響其它網(wǎng)段，既便于維護(hù)，又保證了系統(tǒng)設(shè)備的安全。
中繼器硬件除了以上主要部分以外，還有ＥＥＰＲＯＭ、看門狗和ＬＥＤ指示等部分。幾個(gè)ＬＥＤ分別用于中繼器上電指示和ＣＡＮ接口當(dāng)前的接收和發(fā)送狀態(tài)指示，以及接口的通信故障（如總線關(guān)閉）指示。看門狗采用ＭＡＸ１２３２。ＭＡＸ１２３２具有高電平、低電平上電復(fù)位和看門狗功能。ＥＥＰＲＯＭ采用具有１Ｋ字節(jié)容量的２４ＬＣ０８，可用于保存中繼器的配置參數(shù)等信息，便于系統(tǒng)的靈活配置。
２ ＣＡＮ中繼器的軟件設(shè)計(jì)
ＣＡＮ中繼器的主要任務(wù)是在兩個(gè)ＣＡＮ網(wǎng)段之間實(shí)現(xiàn)報(bào)文的過濾和轉(zhuǎn)發(fā)。由于通信實(shí)時(shí)性的要求以及ＣＡＮ中繼器ＣＰＵ中緩存容量有限（８９Ｃ５２內(nèi)部ＲＡＭ容量為２５６個(gè)字節(jié)），所以在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，要求做到存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間盡量短。為了達(dá)到這一要求，ＣＰＵ采用中斷方式接收兩個(gè)ＣＡＮ控制器的報(bào)文，同時(shí)盡量精簡ＣＰＵ收發(fā)子程序的代碼長度。為了節(jié)省內(nèi)存并對(duì)內(nèi)存實(shí)行有效管理，ＣＰＵ采用了ＦＩＦＯ機(jī)制管理內(nèi)部ＲＡＭ。為了保證通過中繼器傳輸報(bào)文的通信雙方數(shù)據(jù)的可靠性，唯有使用通信雙方應(yīng)用層的端端差錯(cuò)控制才能滿足要求，但在中繼器的軟件設(shè)計(jì)中不宜加入過多的差錯(cuò)控制和流量控制功能，因?yàn)檫@不僅達(dá)不到目的，反而還降低了中繼器的運(yùn)行效率，增加了故障隱患。
圖2 接收中斷子程序流程圖
ＣＡＮ中繼器軟件主要包括以下一些子程序：初始化子程序、主監(jiān)控程序、接收中斷子程序和發(fā)送子程序等。初始化子程序的編寫方法與一般的ＣＡＮ總線系統(tǒng)智能節(jié)點(diǎn)的初始化子程序的編寫方法基本相同，只是在對(duì)兩個(gè)ＣＡＮ控制器進(jìn)行初始化時(shí)應(yīng)采用不同的初始化參數(shù)。下面主要對(duì)主監(jiān)控程序和接收中斷子程序進(jìn)行介紹。
２．１ 主監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)
主監(jiān)控程序負(fù)責(zé)對(duì)兩路ＣＡＮ控制器的接收ＦＩＦＯ緩沖區(qū)進(jìn)行監(jiān)視，如某一路緩沖區(qū)非空則向另一路轉(zhuǎn)發(fā)。兩路緩沖區(qū)的容量大小可采用不對(duì)稱配置。采用這種不對(duì)稱配置的一個(gè)好處在于可以將容量更大的緩沖區(qū)分配給通信任務(wù)更繁忙的一方，從而盡量避免緩沖區(qū)出現(xiàn)溢出。ＦＩＦＯ緩沖區(qū)共有兩個(gè)指針：接
收數(shù)據(jù)指針和發(fā)送數(shù)據(jù)指針。當(dāng)兩指針不相等時(shí)即證明緩沖區(qū)中存有有效數(shù)據(jù)。緩沖區(qū)接收數(shù)據(jù)指針的調(diào)整是通過接收中斷子程序?qū)崿F(xiàn)的，而發(fā)送數(shù)據(jù)指針的調(diào)整則通過發(fā)送子程序?qū)崿F(xiàn)。在主監(jiān)控程序中，還用到了一個(gè)請(qǐng)求狀態(tài)標(biāo)志，該標(biāo)志在接收中斷子程序中建立，用于中繼器及時(shí)返回本身故障狀態(tài)或響應(yīng)上位機(jī)的狀態(tài)查詢命令。當(dāng)該標(biāo)志為１時(shí)，主監(jiān)控程序會(huì)向上位機(jī)發(fā)送本身狀態(tài)，并清除該標(biāo)志。
２．２ 接收中斷子程序的設(shè)計(jì)
中繼器接收中斷子程序流程圖如圖２所示。在進(jìn)入中斷后，首先判斷中斷類型。若為錯(cuò)誤警告中斷，則進(jìn)行相應(yīng)處理并建立標(biāo)志，若為接收中斷則接收?qǐng)?bào)文。在報(bào)文接收前，要根據(jù)接收?qǐng)?bào)文的長度判斷接收緩沖區(qū)是否會(huì)溢出。若會(huì)溢出，則判斷是否為狀態(tài)查詢命令，是則置位請(qǐng)求狀態(tài)標(biāo)志，對(duì)于接收的其它報(bào)文則丟棄。若緩沖區(qū)不會(huì)溢出，則接收該報(bào)文。接收?qǐng)?bào)文后取出命令字節(jié)，判斷是否是中繼器狀態(tài)查詢命令，若是則置位請(qǐng)求狀態(tài)標(biāo)志，不進(jìn)行緩沖區(qū)參數(shù)調(diào)整（因?yàn)槭巧衔粰C(jī)發(fā)送給中繼器的命令，只要求中繼器作出響應(yīng)而不要求其轉(zhuǎn)發(fā)，所以不能放入緩沖區(qū)中）。若不是中繼器狀態(tài)查詢命令，則不作處理，只進(jìn)行緩沖區(qū)參數(shù)調(diào)整，接收?qǐng)?bào)文有效。隨后進(jìn)行釋放ＣＡＮ接收緩沖區(qū)、恢復(fù)現(xiàn)場和中斷返回等工作。
３ ＣＡＮ中繼器在食堂售飯系統(tǒng)的中應(yīng)用
按上述方法設(shè)計(jì)的中繼器現(xiàn)已成功應(yīng)用于東華理工學(xué)院的食堂售飯系統(tǒng)中。根據(jù)學(xué)院食堂及各營業(yè)網(wǎng)點(diǎn)的實(shí)際分布情況，設(shè)計(jì)的學(xué)院食堂售飯系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖３所示。從圖中可以看出，中繼器是組網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，它將窗口機(jī)等終端與服務(wù)器連接起來。在該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，中繼器共分兩級(jí)。中繼器１～４為一級(jí)中繼器，一端與服務(wù)器相連，另一端則與各個(gè)食堂窗口機(jī)等終端構(gòu)成的子網(wǎng)相連；中繼器５為二級(jí)中繼器，一端與一級(jí)中繼器相連，另一端與浴室、小賣部等窗口機(jī)相連。采用兩級(jí)中繼器的設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的通信距離可達(dá)５ｋｍ以上，網(wǎng)絡(luò)終端數(shù)目幾乎不受限制。
該設(shè)計(jì)方案已投入實(shí)際運(yùn)行，目前系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模為五臺(tái)中繼器、一百多臺(tái)窗口機(jī)，用餐人數(shù)近萬人。從系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況來看，性能非常穩(wěn)定可靠，而且維護(hù)和擴(kuò)容方便，大大提高了食堂的管理水平和工作效率。
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