双MCU的CAN总线中继器设计

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。

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。

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。

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。

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)。

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。

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。

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。