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(多图) 基于双AT89C52单片机的CAN总线中继器设计

邱铁 刘晓艳 徐子川?? 2009年08月31日 ?? 收藏0

  引 言

  CAN总线以其开发维护成本低、总线利用率高、传输距离远(最远可达10 km)、传输速率高(最高可达1 Mbps)使用户能组建稳定、高效的现场总线网络。CAN总线已被广泛应用到各个自动化控制系统中,例如汽车电子、自动控制、智能大厦、电力系统、安防监控等领域。随着CAN总线网络区域的扩大,2个节点之间的直接数据传输将难以满足远距离通信要求。CAN中继器是延长CAN总线通信距离的中转站,其通信效率和通信可靠性直接影响CAN总线的通信能力。传统的基于单MCU的CAN中继器难以满足大量数据的中转要求,本文基于双MCU设计高性能的CAN总线中继器。

  1 系统总体设计

  CY7C136是2 KB高速CMOS静态RAM。同一片RAM上有2组数据线和2组地址线,对每个端口的控制是相互独立的,可分别在存储器的任意位置存取数据。

  双口RAM作为2个MCU的共享资源,一个端口与MCUl相连,另一个端口与MCU2相连。从SJAlOOOCAN总线接口1接收来的数据送入双口RAM,这些数据被MCU2取走并送到SJAl000 CAN总线接口2上;从SJAl000 CAN总线接口2接收来的数据也送入双口RAM,并被MCUl取走送到SJAl000 CAN总线接口1上。由于MCU的地址总线和数据总线是复用的,因此采用锁存器进行地址锁存,硬件总体结构如图1所示。

硬件总体结构

  2 硬件电路实现

  电路中使用的2片MCU为8051系列单片机AT89C52,成本低、开发周期短、易于实现、可靠性高。MCUl与MCU2之间通过P1口的P1.5、P1.6、P1.7进行联络与应答,保证系统存储空间访问的安全性。

  2.1 MCU主控制电路

  MCUl(AT89C52片1)连接的外围设备有双口RAM和CAN总线控制器。为了防止地址冲突,采用74LS138译码器进行地址译码。AT89C52的PO为地址/数据复用口,采用74HC573作为地址锁存器。由于MCUl和MCU2电路原理相同,本文只介绍MCUl控制电路。MCUl电路原理如图2所示。

MCU1电路原理

  2.2 双口RAM接口电路

  双口RAM电路接口如图3所示。双口RAM芯片CY7C136作为2个MCU数据的中转站,分别与2个MCU的相应引脚相连。其中CY7C136引脚I/O0L~1/O7L与第1片AT89C52(MCUl)的PO相连,引脚I/OOR~I/O7R与第2片AT89C52(MCU2)相连。YOAOUT为MCU1读写双口RAM的片选信号,Y1AOUT为MCU2读写双口RAM的片选信号,并将MCU的读写控制信号线与双口RAM的相应读写控制信号线相连。

双口RAM电路接口

  2.3 CAN总线控制器接口电路

  CAN总线控制器采用sJAl000。74LSl38译码器的YO引脚输出作为SJAl000的片选信号。中断引脚连接MCUl的INTO,作为处理CAN接收中断的触发信号。电路原理如图4所示。

CAN总线控制器接口电路

  3 软件设计实现

  3.1 存储空间分配思想

  为使双口RAM实现最高效率的应用,将2 KB的存储空间设计成2个1 KB大小的环形队列形式,每一个环形队列的结构如图5所示(图中阴影部分为存有数据的区域,非阴影区域为空闲区域)。

环形队列的结构

  3.2 程序控制流程

  中继器只是中转来自总线上的数据,而这些数据是随机的,因此接收采用中断的方式。某一时刻只要SJAl000成功接收一帧数据,就会向负责本端口的MCU申请中断,进行数据接收,并将数据送入环形队列queue。

  当环形队列中有待发送的数据时,程序的处理流程如图6所示(其中,tail和bead分别为环形队列的尾指针和头指针)。MCU首先获取对方环形队列中的信息,主要是查看环形队列信息是否为空,如果为空则不对其操作。如果不为空,则队列中有待发送的信息,于是启动一次信息发送。如果发送成功,则通过联络信号通知对方修改环形队列指针。

程序的处理流程

  4 测 试

  对基于双口RAM的双MCU中继器进行压力测试(高数据负载率下测试)。短距离内向2个CAN口加载10 000帧数据,测试中继器成功中转情况,其结果如表1所列(表身数据为成功中转帧数)。根据CAN总线规定,其平均负载率不超过65%,传统的单MCU CAN中继器平均负载率很难达到60%。从表1可以看出,引入双MCU后CAN中继器的性能大大提高,能在负载率超过60%的情况下稳定工作。环形队列queue溢出的情况可以通过增加双口RAM的大小来解决。

中继器压力测试结果

  结 语

  采用双MCU配合双口RAM设计CAN总线中继器,解决了单MCU无法快速处理CAN总线负载过重的问题,使其性能和效率得到了很大提高,为CAN中继器在工程领域的优化设计提供了良好的技术平台和解决方案。


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AT89C52? 单片机? CAN总线? 中继器?

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