雙MCU的CAN總線中繼器設計
引 言
CAN總線以其開發(fā)維護成本低、總線利用率高、傳輸距離遠（最遠可達10 km）、傳輸速率高（最高可達1 Mbps）使用戶能組建穩(wěn)定、高效的現(xiàn)場總線網絡。CAN總線已被廣泛應用到各個自動化控制系統(tǒng)中，例如汽車電子、自動控制、智能大廈、電力系統(tǒng)、安防監(jiān)控等領域。隨著CAN總線網絡區(qū)域的擴大，2個節(jié)點之間的直接數(shù)據傳輸將難以滿足遠距離通信要求。CAN中繼器是延長CAN總線通信距離的中轉站，其通信效率和通信可靠性直接影響CAN總線的通信能力。傳統(tǒng)的基于單MCU的CAN中繼器難以滿足大量數(shù)據的中轉要求，本文基于雙MCU設計高性能的CAN總線中繼器。
1 系統(tǒng)總體設計
CY7C136是2 KB高速CMOS靜態(tài)RAM。同一片RAM上有2組數(shù)據線和2組地址線，對每個端口的控制是相互獨立的，可分別在存儲器的任意位置存取數(shù)據。
雙口RAM作為2個MCU的共享資源，一個端口與MCUl相連，另一個端口與MCU2相連。從SJAlOOOCAN總線接口1接收來的數(shù)據送入雙口RAM，這些數(shù)據被MCU2取走并送到SJAl000 CAN總線接口2上;從SJAl000 CAN總線接口2接收來的數(shù)據也送入雙口RAM，并被MCUl取走送到SJAl000 CAN總線接口1上。由于MCU的地址總線和數(shù)據總線是復用的，因此采用鎖存器進行地址鎖存，硬件總體結構如圖1所示。
2 硬件電路實現(xiàn)
電路中使用的2片MCU為8051系列單片機AT89C52，成本低、開發(fā)周期短、易于實現(xiàn)、可靠性高。MCUl與MCU2之間通過P1口的P1.5、P1.6、P1.7進行聯(lián)絡與應答，保證系統(tǒng)存儲空間訪問的安全性。
2.1 MCU主控制電路
MCUl（AT89C52片1）連接的外圍設備有雙口RAM和CAN總線控制器。為了防止地址沖突，采用74LS138譯碼器進行地址譯碼。AT89C52的PO為地址/數(shù)據復用口，采用74HC573作為地址鎖存器。由于MCUl和MCU2電路原理相同，本文只介紹MCUl控制電路。MCUl電路原理如圖2所示。
2.2 雙口RAM接口電路
雙口RAM電路接口如圖3所示。雙口RAM芯片CY7C136作為2個MCU數(shù)據的中轉站，分別與2個MCU的相應引腳相連。其中CY7C136引腳I/O0L～1/O7L與第1片AT89C52（MCUl）的PO相連，引腳I/OOR～I/O7R與第2片AT89C52（MCU2）相連。YOAOUT為MCU1讀寫雙口RAM的片選信號，Y1AOUT為MCU2讀寫雙口RAM的片選信號，并將MCU的讀寫控制信號線與雙口RAM的相應讀寫控制信號線相連。
2.3 CAN總線控制器接口電路
CAN總線控制器采用sJAl000。74LSl38譯碼器的YO引腳輸出作為SJAl000的片選信號。中斷引腳連接MCUl的INTO，作為處理CAN接收中斷的觸發(fā)信號。電路原理如圖4所示。
3 軟件設計實現(xiàn)
3.1 存儲空間分配思想
為使雙口RAM實現(xiàn)最高效率的應用，將2 KB的存儲空間設計成2個1 KB大小的環(huán)形隊列形式，每一個環(huán)形隊列的結構如圖5所示（圖中陰影部分為存有數(shù)據的區(qū)域，非陰影區(qū)域為空閑區(qū)域）。
3.2 程序控制流程
中繼器只是中轉來自總線上的數(shù)據，而這些數(shù)據是隨機的，因此接收采用中斷的方式。某一時刻只要SJAl000成功接收一
幀數(shù)據，就會向負責本端口的MCU申請中斷，進行數(shù)據接收，并將數(shù)據送入環(huán)形隊列queue。
當環(huán)形隊列中有待發(fā)送的數(shù)據時，程序的處理流程如圖6所示（其中，tail和bead分別為環(huán)形隊列的尾指針和頭指針）。MCU首先獲取對方環(huán)形隊列中的信息，主要是查看環(huán)形隊列信息是否為空，如果為空則不對其操作。如果不為空，則隊列中有待發(fā)送的信息，于是啟動一次信息發(fā)送。如果發(fā)送成功，則通過聯(lián)絡信號通知對方修改環(huán)形隊列指針。
4 測 試
對基于雙口RAM的雙MCU中繼器進行壓力測試（高數(shù)據負載率下測試）。短距離內向2個CAN口加載10 000幀數(shù)據，測試中繼器成功中轉情況，其結果如表1所列（表身數(shù)據為成功中轉幀數(shù)）。根據CAN總線規(guī)定，其平均負載率不超過65%，傳統(tǒng)的單MCU CAN中繼器平均負載率很難達到60%。從表1可以看出，引入雙MCU后CAN中繼器的性能大大提高，能在負載率超過60%的情況下穩(wěn)定工作。環(huán)形隊列queue溢出的情況可以通過增加雙口RAM的大小來解決。
結 語
采用雙MCU配合雙口RAM設計CAN總線中繼器，解決了單MCU無法快速處理CAN總線負載過重的問題，使其性能和效率得到了很大提高，為CAN中繼器在工程領域的優(yōu)化設計提供了良好的技術平臺和解決方案。
CAN總線以其開發(fā)維護成本低、總線利用率高、傳輸距離遠（最遠可達10 km）、傳輸速率高（最高可達1 Mbps）使用戶能組建穩(wěn)定、高效的現(xiàn)場總線網絡。CAN總線已被廣泛應用到各個自動化控制系統(tǒng)中，例如汽車電子、自動控制、智能大廈、電力系統(tǒng)、安防監(jiān)控等領域。隨著CAN總線網絡區(qū)域的擴大，2個節(jié)點之間的直接數(shù)據傳輸將難以滿足遠距離通信要求。CAN中繼器是延長CAN總線通信距離的中轉站，其通信效率和通信可靠性直接影響CAN總線的通信能力。傳統(tǒng)的基于單MCU的CAN中繼器難以滿足大量數(shù)據的中轉要求，本文基于雙MCU設計高性能的CAN總線中繼器。
1 系統(tǒng)總體設計
CY7C136是2 KB高速CMOS靜態(tài)RAM。同一片RAM上有2組數(shù)據線和2組地址線，對每個端口的控制是相互獨立的，可分別在存儲器的任意位置存取數(shù)據。
雙口RAM作為2個MCU的共享資源，一個端口與MCUl相連，另一個端口與MCU2相連。從SJAlOOOCAN總線接口1接收來的數(shù)據送入雙口RAM，這些數(shù)據被MCU2取走并送到SJAl000 CAN總線接口2上;從SJAl000 CAN總線接口2接收來的數(shù)據也送入雙口RAM，并被MCUl取走送到SJAl000 CAN總線接口1上。由于MCU的地址總線和數(shù)據總線是復用的，因此采用鎖存器進行地址鎖存，硬件總體結構如圖1所示。
2 硬件電路實現(xiàn)
電路中使用的2片MCU為8051系列單片機AT89C52，成本低、開發(fā)周期短、易于實現(xiàn)、可靠性高。MCUl與MCU2之間通過P1口的P1.5、P1.6、P1.7進行聯(lián)絡與應答，保證系統(tǒng)存儲空間訪問的安全性。
2.1 MCU主控制電路
MCUl（AT89C52片1）連接的外圍設備有雙口RAM和CAN總線控制器。為了防止地址沖突，采用74LS138譯碼器進行地址譯碼。AT89C52的PO為地址/數(shù)據復用口，采用74HC573作為地址鎖存器。由于MCUl和MCU2電路原理相同，本文只介紹MCUl控制電路。MCUl電路原理如圖2所示。
2.2 雙口RAM接口電路
雙口RAM電路接口如圖3所示。雙口RAM芯片CY7C136作為2個MCU數(shù)據的中轉站，分別與2個MCU的相應引腳相連。其中CY7C136引腳I/O0L～1/O7L與第1片AT89C52（MCUl）的PO相連，引腳I/OOR～I/O7R與第2片AT89C52（MCU2）相連。YOAOUT為MCU1讀寫雙口RAM的片選信號，Y1AOUT為MCU2讀寫雙口RAM的片選信號，并將MCU的讀寫控制信號線與雙口RAM的相應讀寫控制信號線相連。
2.3 CAN總線控制器接口電路
CAN總線控制器采用sJAl000。74LSl38譯碼器的YO引腳輸出作為SJAl000的片選信號。中斷引腳連接MCUl的INTO，作為處理CAN接收中斷的觸發(fā)信號。電路原理如圖4所示。
3 軟件設計實現(xiàn)
3.1 存儲空間分配思想
為使雙口RAM實現(xiàn)最高效率的應用，將2 KB的存儲空間設計成2個1 KB大小的環(huán)形隊列形式，每一個環(huán)形隊列的結構如圖5所示（圖中陰影部分為存有數(shù)據的區(qū)域，非陰影區(qū)域為空閑區(qū)域）。
3.2 程序控制流程
中繼器只是中轉來自總線上的數(shù)據，而這些數(shù)據是隨機的，因此接收采用中斷的方式。某一時刻只要SJAl000成功接收一
幀數(shù)據，就會向負責本端口的MCU申請中斷，進行數(shù)據接收，并將數(shù)據送入環(huán)形隊列queue。
當環(huán)形隊列中有待發(fā)送的數(shù)據時，程序的處理流程如圖6所示（其中，tail和bead分別為環(huán)形隊列的尾指針和頭指針）。MCU首先獲取對方環(huán)形隊列中的信息，主要是查看環(huán)形隊列信息是否為空，如果為空則不對其操作。如果不為空，則隊列中有待發(fā)送的信息，于是啟動一次信息發(fā)送。如果發(fā)送成功，則通過聯(lián)絡信號通知對方修改環(huán)形隊列指針。
4 測 試
對基于雙口RAM的雙MCU中繼器進行壓力測試（高數(shù)據負載率下測試）。短距離內向2個CAN口加載10 000幀數(shù)據，測試中繼器成功中轉情況，其結果如表1所列（表身數(shù)據為成功中轉幀數(shù)）。根據CAN總線規(guī)定，其平均負載率不超過65%，傳統(tǒng)的單MCU CAN中繼器平均負載率很難達到60%。從表1可以看出，引入雙MCU后CAN中繼器的性能大大提高，能在負載率超過60%的情況下穩(wěn)定工作。環(huán)形隊列queue溢出的情況可以通過增加雙口RAM的大小來解決。
結 語
采用雙MCU配合雙口RAM設計CAN總線中繼器，解決了單MCU無法快速處理CAN總線負載過重的問題，使其性能和效率得到了很大提高，為CAN中繼器在工程領域的優(yōu)化設計提供了良好的技術平臺和解決方案。
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