13岁女孩设计宇宙载人飞船：只需42年能到达其他星系

0 引 言

CAN总线是一种串行多主站局域网总线，被广泛应用于汽车控制系统、自动控制、楼宇自动化、医学设备等各个领域。其传输距离远，最远可达10 km，传输速率高，最高可达1 Mb/s，容错性能好，可靠性能高。但是由于CAN驱动器的驱动能力有限，CAN总线能够驱动的节点数有限，一般在100个左右，同时会随着传输距离的增 加，最高传输速率会下降，如果距离过长会引起信号丢失、反射等故障。在实验室条件下测得在5 Kb/s的通信速率下最远通信距离能达到10 km;在18 Kb/s的通信速率下最远通信距离只能达到2 km;而在42 b/s的通信速率下，最远通信距离只能达到1 km。测试条件：线缆采用线径为0.75 mm2的屏蔽双绞线，线缆为盘装，室内测试。在实验中，发现随着随着通信距离的增加，通信速率迅速下降，而CAN总线的驱动节点数量也次第下降。而在通信 距离远，通信节点多的大空间场所，比如矿井、电力监控等系统需要CAN总线来传输数据和监控信息的场所，CAN总线不能满足要求。

如果要实现通信距离远、通信速率高、总线节点数量多CAN总线系统，实现CAN总线的扩展，就需要一个CAN网关进行桥接，把CAN总线划分为几个子网，增加CAN总线通信节点，延长CAN总线的传输距离，提高CAN总线的传输速率。在研究基于PIC单片机的CAN网关设计和扩展的CAN总线网络拓扑结构。

1 CAN网关总体设计及总线拓扑结构

1.1 CAN网关总体设计

CAN网关作为一种转发设备，连接在两个不同的CAN网络中，能够实时接收来自两个子网中的信息，根据需要筛选或者无条件地把接收到的信息转发到另外一个 网络中。CAN总线层次结构分为物理层、数据链路层和应用层，工作于ISO/OSI参考模式下。CAN网关在物理层和数据链路层完成两个CAN网的连接。 CAN网关结构图如图1所示。

CAN网关可以作为透明网关和源路由网关。透明网关完全按照接收到的帧格式转发，不改变帧结构，对于用户，网关相当于透明的。而源路由网关由用户提供路由信息，网关按照路由信息对消息进行过滤和有选择性的转发。

1.2 CAN总线网络拓扑结构

带有网关的CAN网络拓扑结构如图2所示。在这个网路中，PC机为主节点，而CAN节点作为从节点。在网络的顶层，由PC机和网关构成一个主网，在这个主 网中PC机和CAN网关作为CAN节点，总线驱动器驱动能力可以带100个cAN节点左右。主网中的CAN网关再作为下一个子网中的主节点，而其他CAN 网关或是CAN节点作为从节点，构成一个子网。这样通过CAN网关可以逐环把网络扩展下去，直到最底层的CAN节点。而在应用层上，用户可以把网关配置成 透明网关或是源路由网光。透明网关不影响网络结构，CAN拓展网络形成一个多节点，远距离的网络。源路由网关对消息具有过滤性，根据用户的配置信息把 CAN网络在应用层上划分为几个小网。

这样，解决了节点容量、通信距离、通信速率的问题。

2 网关的硬件设计

硬件电路开发采用集成电路，开发周期短，成本低。CPU采用Microchip公司的16位单片机dsPIC30F6011作为核心部件，其内部集成了两 个CAN控制器，支持CAN 2.0A/B协议，CPU的速度可以达到30 MIPS，程序存储器空间有132 KB，内部RAM有6 144 B，数据程序存储器有2 048 B，集成的功能强大，体积小，性价比比较高。物理层采用两个CAN驱动器PCA82C250。其中一组的PCA82C250的RXD，TXD引脚不是和 CPU dsPIC30F6011直接连接，而在中间用光速光藕6N137隔离。

单片机dsPIC30F6011有两个通用的UART口，可以作为和PC机或其他上位机通信的接口来用。另外，dsPIC30F6011采用TQPF封装64引脚，利用通用I/O驱动LED灯作为指示灯，预留并行液晶显示器和 4×4行列式键盘的接口。

CAN控制器和驱动器部分采用了光电隔离器，因此电源设计部分要求有两个隔离的5 V电源。考虑到可以会用到液晶显示器，因此一路电源设计采用输出容量1 A的开关电源LM9076，而另外一路采用隔离DC/DC模块电源。这样CAN子网之间实现了电气隔离，如果一个网络出了问题并不影响另外一个网络的正常 工作，提高了CAN网络的抗干扰性能。硬件电路设计外围电路少、设计简单、成本低。设计的CAN网关硬件设计系统框图如图3所示。