基于独立双CAN控制器的中继器设计与实现

　　1 引言

　　CAN(Controller Area Network，控制器局域网)总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，是现场总线的一种。CAN总线具有通信速率高、开放性好、纠错能力强和系统成本低等优点，现已在机械工业、机器人、医疗器械等各种领域中得到了广泛的应用。

　　然而由于受到CAN收发器的限制，在一个CAN总线网络中最多只能有110个CAN节点，最大只能达到10 km的通信距离，所以当所需CAN总线网络规模超出以上限制时就必须进行CAN总线网络的扩展。目前一般的扩展方式是加入CAN总线中继器。CAN中继器的主要任务是在两个CAN网段之间实现数据的转发，他具有过滤通信量，扩大通信距离，增加节点的最大数目，允许各个网段使用不同的通信速率，提高可靠性，改善网络性能等优点，是CAN组网的关键设备之一。在稍大型的CAN总线网络中经常会用到中继器。

　　通常CAN中继器都是基于两片独立的CAN控制器实现的。这样的CAN中继器虽然可以扩大通信距离、增加节点的最大数目，但是由于他的数据存储转发要通过CPU的内部缓存中转，使得CPU与CAN控制器之间的数据交互过多，从而造成通信系统的时延增加，实时性能变差，CPU的负担变重。同时当网络负担较重时，还会因为CPU的内部缓存容量有限，造成帧丢失现象，使系统可靠性变差。然而，实时性和可靠性对通信系统而言是非常重要的。

　　针对上述中继器在实时性和可靠性上的缺点，我们采用独立双CAN控制器作为两路CAN接口的控制器来设计CAN中继器。利用独立双CAN控制器的内置FIFO和网关的特性，使两个CAN节点共享双CAN模块的资源，允许在两个单独的CAN节点之间直接通过FIFO进行数据交换，而不使用CPU内部缓存中转，这样减少了CPU与控制器之间的数据交互，优化了CAN总线的传输，大幅度减少了CPU的负荷，改善了整个系统的实时性和可靠性。

　　2 独立双CAN控制器简介

　　独立双CAN控制器包括两个全CAN功能节点。但他并不是这两个CAN节点简单的组合，而是这两者既可以独立使用，又可以通过双CAN控制器的网关功能，设计出可以大幅度减轻CPU负担的中继器的设备。除此之外，双CAN控制器还具有节电功能、更多的中断功能和增强的滤波功能等，他与微控制器的信息交换通道也有串行和并行两种选择。

　　图1给出了独立双CAN控制器的结构框图。他由CAN节点A/B、报文对象缓冲器、双CAN控制模块、端口控制、总线接口、中断控制等模块构成。

　　端口控制模块实现CAN节点A/B收发数据;总线接口模块用于接收来自CPU的片选、时钟、地址、读写信号等信息，实现与CPU的信息交互;中断控制模块负责整理中断源信息，向CPU发出中断信号;双CAN控制模块是一个全局控制接口，他包括初始化逻辑、全局控制和状态逻辑以及中断请求接收器;报文缓冲单元包含报文缓冲区、FIFO缓冲区管理、网关控制逻辑以及一个基于中断请求发生单元的报文。CAN节点A/B分别又包括位流处理器、位定时控制单元、错误处理逻辑、中断请求产生单元和节点控制逻辑。其中CAN节点A/B、报文对象缓冲器、双CAN控制模块等模块构成了独立双CAN控制器的核心。图2给出了这几个核心模块的详细结构。