基于LPC2194的4路CAN网桥设计

can总线以其设计独特、成本低、可靠性高、实时性和抗干扰能力强等特点,在汽车工业、机械工业、纺织工业、机器人、数控机床、医疗器械等领域得到了广泛的应用。从高速网络到低速的多路接线网络都可以使用can总线,其最高传输速率可以达到1 mbps,最远传输距离可达10 km(传输速率在5 kbps以下时)。但是当要求传输速率较高且传输距离较远时,单条总线就无法完成;而且在大型的网络中,经常需要多条总线的接入。这就需要同时有中继与路由功能的can网桥来实现以上功能。
本文设计的4路can网桥可以延长can传输距离,扩展can通信网络;同时具有路由功能,可实现不同can网络之间的不同路由、不同通信速率的转换,能够在大型can网络中起到关键作用。
1 4路can网桥的设计方案
1.1 can网桥的优点
使用4路can网桥对网络性能的改善有着很大的帮助,在大型网络的组网中有以下优点:
①可以延长网络的传输距离,特别是经过几个can网桥的中继之后,可以极大地延长传输距离,能够达到几千米甚至几十千米。
②可以增大can网络的规模,4路can网桥有4个can支路,每条支路又可以增加新的can网桥,因此可以组成大规模的can网络。
③可以实现不同网络之间不同路由的选择,增强了can网络的可靠性。
1.2 设计方案
can网桥的设计方案一般分为单mcu和多mcu两种。单mcu速度较慢,不适用于高速网络;多mcu方案结构复杂,稳定性较差。针对以上情况,本设计采用了自带4路can控制器的arm微控制器lpc2194,同时避免了mcu速度慢和多mcu网络复杂的情况。
lpc2194的特点如下:
①具有32位的arm7微控制器,带有256 kb的嵌入式高速flash存储器。32位代码能够在最高时钟频率下运行,且功耗极低,处理速度极快。
②自带4路互联的can控制器,完全支持can2.0b和iso1198-1的标准,每个can控制器均可以实现1mbps的速率。其全局验收滤波器可识别所有总线的11位和29位rx标识符,相对于sja1000的can控制器有着明显的优势。
2 4路can网桥的硬件设计
2.1 总体设计
由于lpc2194集成4路can控制器,因此能够方便地实现4路can总线接口,既减小了系统的规模,又提高了系统的稳定性。本设计采用 lpc2194作为主控芯片,具有隔离和保护的ctm8251t作为can收发器。系统的整体结构如图1所示。
2.2 微控制器与ctm8251t的接口设计
ctm8251t是一款带隔离的通用can收发器模块。该模块内部集成了所有必需的can隔离及can收发器件,具有2 500 v的隔离功能和can-bus总线过压保护作用。该模块符合iso11898标准,因此可以与其他遵从iso11898标准的can收发器相互操作。由于微控制器lpc2194集成的4路can控制器完全相同,因此本设计中只给出1路can控制器与ctm8251t的连接图,如图2所示。
3 4路can网桥的软件设计
4路can网桥不同于一般的can中继器,可以选择不同的路由和不同的通信速率。本设计中,4路can接口均可以实现与其他3路之间不同路由的选择和不同通信速率之间的转换,极大地增强了网络的可扩展性。4路can网桥的工作模式分为两种:配置模式,可以选择路由和不同支路的can通信速率;正常工作模式,根据所配置的状态来进行工作。
3.1 配置模式
配置模式的主要工作是将配置信息写入eeprom中,在正常工作时可以读取配置的信息。配置模式的程序流程如图3所示。
3.2 正常工作模式
在配置模式下配置好各信息后,系统重新上电可以进入正常工作模式。根据配置模式配置的状态,4路网桥对网络中的信息进行存储转发。在lpc2194 中,4路can控制器是同时工作的,因此能够提高系统的速度和实时性。每一路的结构和程序是相同的,因此本设计仅给出1路can控制器正常工作的程序设计。
为了提高系统的转换速度和稳定性,本设计采用了中断接收和查询发送的方式。系统中断接收can总线上的数据,并根据路由选择和标识符的分配选择发送到其他3路,从而完成网桥的工作。系统主程序和中断程序流程分别如图4和图5所示。
4 实验结果
为了验证系统的可靠性,设计了一个通信收包率的实验。通过pc机间隔一定的时间,向can网桥一条支路发送8字节的数据,网桥的另一条支路向pc机回复接收到的8字节数据。通过对比发送和接收的字节数来验证收包率。分别以100 ms、10 ms、5 ms、1 ms的间隔来发送8字节的数据,发送和接收到的字节数为:
①间隔100 ms时,发送1 336个字节,接收1 336个字节,收包率为100%;
②间隔10 ms时,发送3 376个字节,接收3 376个字节,收包率为100%;
③间隔5 ms时,发送4 056个字节,接收4 056个字节,收包率为100%;
④间隔1 ms时,发送5 336个字节,接收5 336个字节,收包率为100%。
其中,间隔1 ms时的发送和接收图如图6所示。
实验结果表明,在以不同间隔发送数据时,网桥都能很好地完成工作,可满足实际应用的需要。
结语
本文设计的4路can网桥采用功能强大的arm芯片lpc2194作为主控芯片,因此能够及时地处理4路can总线的数据传输。通过具体实验证明,该网桥工作稳定、可靠、使用方便,完全满足现场的需求。

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