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。