引 言
隨著汽車電子的發(fā)展，傳統(tǒng)的點對點的通信已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代汽車通信的要求。汽車電子網(wǎng)絡技術正成為實現(xiàn)汽車控制系統(tǒng)的首選，它使汽車電子技術進入一個全新的時代。
20世紀 90年代，美國汽車工程師協(xié)會SAE(Society of AutomoTIve Engineers)將汽車數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)分成了A、B、C三類：A類網(wǎng)絡主要面向傳感器／執(zhí)行器的低速網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)傳輸位速率一般小于10 kb／s，目前A類網(wǎng)的首選標準為LIN(LocalInterconnect Network)協(xié)議；B類網(wǎng)絡主要面向獨立模塊間數(shù)據(jù)共享的中速網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)傳輸位速率在10～125 kb／s，目前B類網(wǎng)絡主要采用低速容錯CAN標準ISO11898-3；C類網(wǎng)絡則主要面向高速、實時閉環(huán)控制的多路傳輸網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸位速率在 125～1 Mb／s之間，歐洲的汽車制造商主要采用高速CAN標準ISO11898-2來實現(xiàn)該類網(wǎng)絡。下面簡要介紹一下CAN協(xié)議和LIN協(xié)議。
1986 年2月，德國的Bosch公司在SAE大會上提出了CAN串行總線。時至今日，CAN已經(jīng)形成國際標準，憑借自身的優(yōu)點，不僅在汽車領域，而且在機械、數(shù)控機床及傳感器等領域都得到廣泛應用。CAN總線的主要特點有：多主機的工作方式；最大傳輸速率可達1 Mb／s(通信距離最長40 m)，直接通信距離可達10 km(速率小于5 kb／s)；采用短幀結構，傳輸時間短；良好的檢錯能力；非破壞總線仲裁技術；較高的性價比。
LIN 是1998年由BMW等五家汽車制造商、一家軟件工具制造商以及一家半導體廠商聯(lián)合提出的一個協(xié)議。LIN通信是基于SCI(UART)數(shù)據(jù)格式，采用單主／多從模式以及低成本的單線連接方式，最高傳輸速率可達20kb／s。LIN的從節(jié)點不用晶振或陶瓷振蕩器就能實現(xiàn)自同步。出于以上技術特點， LIN總線實現(xiàn)成本較低，且完全能夠滿足A類網(wǎng)絡的通信需求。
在實際的汽車電子網(wǎng)絡中，A、B、C三類網(wǎng)絡并不是完全獨立的。為了完成車輛的控制及信息共享，不同網(wǎng)絡間必須進行相應的數(shù)據(jù)交換。由于是三種不同的網(wǎng)絡，它們之間的通信是不能直接進行的，而必須作相應的協(xié)議轉換及數(shù)據(jù)處理后才能實現(xiàn)，這些工作是由網(wǎng)關來實現(xiàn)的。本文提出了一種網(wǎng)關的設計方案，用以實現(xiàn)高速CAN、低速CAN及LIN三種總線網(wǎng)絡之間的通信。
1 網(wǎng)關總體結構
本文所討論的網(wǎng)關其主要任務是解決車載網(wǎng)絡中A、B、C三類網(wǎng)絡的相互通信的問題，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲轉發(fā)及高、低速CAN協(xié)議之間或低速CAN與LIN協(xié)議之間的協(xié)議轉換，以便在不同網(wǎng)絡之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。網(wǎng)關主要分為4個部分：實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲轉發(fā)和協(xié)議轉換的主控制器，用于與高速CAN網(wǎng)絡連接的高速CAN 節(jié)點模塊，與低速CAN網(wǎng)絡連接的低速CAN節(jié)點模塊以及與LIN網(wǎng)絡連接的LIN節(jié)點模塊。網(wǎng)關系統(tǒng)的電路框圖如圖1所示。
網(wǎng)關中三個節(jié)點電路分別與各自的網(wǎng)絡相連，且實現(xiàn)各自對應的網(wǎng)絡與主控制器之間的數(shù)據(jù)交換。這個數(shù)據(jù)交換過程是雙向的，既包括從網(wǎng)絡上接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存到主控制器中，又包括從主控制器相應的緩存器中讀取數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到自己對應的網(wǎng)絡中。主控制器主要負責數(shù)據(jù)的存儲及協(xié)議的轉換，即將各個節(jié)點接收來的數(shù)據(jù)根據(jù)其目的網(wǎng)絡的不同，分別存入不同的緩沖區(qū)，并且根據(jù)目的網(wǎng)絡的不同，將數(shù)據(jù)轉化為能夠在目的網(wǎng)絡上傳送的數(shù)據(jù)格式。
2 網(wǎng)關電路設計
如上所述，網(wǎng)關的硬件電路主要由主控制器、高速CAN節(jié)點模塊、低速CAN節(jié)點模塊、LIN節(jié)點模塊4部分組成。為了滿足網(wǎng)關的正常通信要求，必須考慮主控制器的數(shù)據(jù)處理能力。另外，由于網(wǎng)關的工作環(huán)境為電磁干擾非常嚴重的汽車內部，故還須考慮網(wǎng)關的抗噪聲干擾性能。網(wǎng)關的硬件設計簡圖如圖2所示，
AT91SAM7A3為網(wǎng)關的主控制芯片，TJA1020為LIN總線收發(fā)器，CTM1054為低速CAN收發(fā)器，CTM1050為高速CAN收發(fā)器。
2．1 主控制器的選擇
實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效率、高質量的存儲轉發(fā)是網(wǎng)關的重要目標，而主控制器是網(wǎng)關的核心器件，它的性能好壞直接決定了網(wǎng)關的效率高低。主控器對接收到的數(shù)據(jù)進行緩存，因此主控制器需要有較高的存儲容量。主控器還要對它所接收與轉發(fā)的數(shù)據(jù)進行協(xié)議轉換等數(shù)據(jù)處理，因此還要有較強的運算能力。
本設計選用了Atml公司的AT91SAM7A3作為網(wǎng)關的核心控制器。這是一顆基于ARM7TDMI內核的32位RISC處理器，具有執(zhí)行速度快、效率高的特點，能夠滿足網(wǎng)關的數(shù)據(jù)處理要求。該芯片內置32 KB的SRAM和256 KB的高速Flash存儲器，存儲能力強，能夠滿足網(wǎng)關對數(shù)據(jù)存儲的要求。另外，該芯片內部集成有2個功能強大的CAN2．OB的控制器，可以處理所有類型的幀結構(數(shù)據(jù)幀、遠程幀、錯誤幀及過載幀)，每個控制器有16個獨立的緩存區(qū)(mailbox)，十分有利于實現(xiàn)網(wǎng)關高速、大容量的數(shù)據(jù)處理。集成的 CAN控制器還能夠減少器件數(shù)目和PCB布線數(shù)量，有利于提高系統(tǒng)的抗干擾性能。
2. 2 CAN節(jié)點設計
常用的 CAN節(jié)點電路如圖3所示，它主要由MCU、CAN控制器及CAN收發(fā)器組成。為了增強電路的抗干擾性，還需要在控制器與收發(fā)器之間增加一個隔離電路。
本網(wǎng)關中的CAN節(jié)點共有2個：高速CAN節(jié)點和低速CAN 節(jié)點。由于在汽車中電磁干擾現(xiàn)象非常嚴重，僅靠單個的CAN收發(fā)器難以滿足通信品質的要求，需要加上適當?shù)母綦x電路以提高電路的抗干擾性。
2 個節(jié)點的MCU的功能由主控制芯片AT91SAM7A3實現(xiàn)，且AT91SAM7A3中集成了兩個高性能的CAN控制器，可以分別作為高低速CAN節(jié)點的控制器。
常用的隔離電路采用高速光耦6N137實現(xiàn)CAN節(jié)點之間的信號隔離，并且采用電源隔離模塊實現(xiàn)高速光耦的兩個電源的隔離。但是這種設計無疑增加了PCB的走線，使電路的沒計變得復雜，同時隔離電路的隔離效果也受到影響。
本設計采用廣州致遠電子有限公司生產(chǎn)的 CTM系列的CTM1050和CTM1054，分別作為高低速CAN收發(fā)器。CTM系列的CAN收發(fā)器集成了CAN 收發(fā)器以及必需的隔離，即在一塊芯片上實現(xiàn)了隔離電路和CAN收發(fā)器的功能。這樣就不必單獨設計隔離電路，提高了集成度，使得抗干擾性得到增強。
高速CAN收發(fā)器CTM1050，最高速率可達1 Mb／s，完全符合ISO11898-2標準的高速CAN通信，用它作為高速CAN網(wǎng)絡接口的收發(fā)器(電路連接方法見圖2)。容錯CAN收發(fā)器 CTM1054，最高通信速率可達125 kb／s，完全符合ISO11898-3標準，用它作為低速CAN網(wǎng)絡接口的收發(fā)器(電路連接方法見圖2)。需要注意的是，在CTM1054的連接中，有 2個電阻R1和R2的阻值要根據(jù)低速CAN網(wǎng)絡中節(jié)點的個數(shù)來確定。具體值的算法見CTM1054使用手冊。
2．3 LIN接口設計
LIN 總線是一主多從的總線連接方式，節(jié)點有主從之分。在本設計中，將LIN節(jié)點設計為主節(jié)點。LIN是一個基于單線串行的通信協(xié)議，對于硬件的要求比較簡單。通常一個有SCI/UART接口的單片機和一個LIN收發(fā)器就可組成LIN節(jié)點。本設計利用AT91SAM7A3的UART口和LIN收發(fā)器 TJA1020組成一個LIN主節(jié)點。
TJA1020使用的波特率可從2．4～20 kb／s，有較好的保護功能：總線終端和電池引腳可防止汽車環(huán)境下的瞬變、總線終端對電池和地的短路保護以及過熱保護等，可以作為汽車通信中的LIN通信接口(具體電路連接見圖2)。
3 網(wǎng)關軟件設計
網(wǎng)關的軟件系統(tǒng)主要包括主監(jiān)控程序、數(shù)據(jù)的發(fā)送、數(shù)據(jù)的接收、數(shù)據(jù)的處理 (包括協(xié)議轉換和緩沖區(qū)內數(shù)據(jù)的讀寫處理)等幾部分。
3．1 主監(jiān)控程序
如圖4所示，在主控制器AT91SAM7A3中劃出4塊緩沖區(qū)BUF1～BUF4，每一塊緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)都有明確而且唯一的來源和目的地。主監(jiān)控程序主要通過循環(huán)依次查詢BUF1～BUF4中的存儲情況，來決定是否發(fā)送數(shù)據(jù)以及將數(shù)據(jù)發(fā)送給誰。
當高速CAN網(wǎng)絡上有數(shù)據(jù)需要接收的時候，通過高速CAN模塊接收數(shù)據(jù)，對接收到的數(shù)據(jù)進行處理后，將其存到緩沖區(qū)BUF1中，再由低速CAN模塊將其發(fā)送到低速CAN網(wǎng)絡上；當LIN網(wǎng)絡上有數(shù)據(jù)需要接收時，通過LIN總線模塊接收數(shù)據(jù)，對接收到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)格式轉換(LIN格式的報文幀轉換為CAN 格式的報文幀)，再將其存入到緩沖區(qū)BUF4中，并由低速CAN模塊將其發(fā)送到低速CAN網(wǎng)絡上；當?shù)退貱AN網(wǎng)絡上有數(shù)據(jù)需要接收時，先接收數(shù)據(jù)，然后判斷數(shù)據(jù)是發(fā)送到高速CAN總線，還是發(fā)送到LIN總線，根據(jù)判斷結果對數(shù)據(jù)進行處理，存入相應的緩沖區(qū)(如數(shù)據(jù)是發(fā)往高速CAN總線，則存入BUF2，否則存入BUF3)。
3．2 數(shù)據(jù)的發(fā)送
數(shù)據(jù)的發(fā)送由發(fā)送子程序完成，網(wǎng)關中主要有3個發(fā)送子程序，分別對應兩路CAN 控制器以及一路 LIN發(fā)送器。高速CAN的發(fā)送子程序負責發(fā)送BUF1中的數(shù)據(jù)，LIN的發(fā)送子程序負責發(fā)送BUF3中的數(shù)據(jù)，低速CAN的發(fā)送子程序負責發(fā)送BUF2 和BUF4中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的發(fā)送采用查詢總線狀態(tài)的發(fā)送方式：查詢總線的忙閑情況，如果總線忙，則退出發(fā)送子程序，進行其他的工作；如果總線空閑，則發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送完1幀數(shù)據(jù)后，再檢查與之相應的緩沖區(qū)的狀態(tài)。如果為空，則退出發(fā)送子程序；如果非空，則再檢查總線的忙閑狀態(tài)。如果忙，則退出發(fā)送子程序；如果空閑，則發(fā)送數(shù)據(jù)。然后再開始新一輪的數(shù)據(jù)查詢發(fā)送過程。圖5為高速CAN向低速CAN發(fā)送的流程，其他的發(fā)送子程序過程與此類似。
3．3 數(shù)據(jù)的接收
數(shù)據(jù)接收是從總線上接收數(shù)據(jù)，進行必要的協(xié)議轉換，再將轉換后的數(shù)據(jù)存人相應的緩沖區(qū)。網(wǎng)關中有3個接收子程序，分別對應兩路CAN控制器及一路LIN發(fā)送器。數(shù)據(jù)接收采用中斷方式，由于不同網(wǎng)絡有不同的實時性要求，因此為3個接收程序設定了不同的中斷級別。高速CAN的實時性要求最高，中斷級別也設為最高；而LIN總線的實時性在三者中最低，故中斷級別也最低。當一個接收中斷發(fā)生后，進入接收中斷子程序，判斷相應的緩沖區(qū)是否已滿(低速CAN的接收程序在接收到數(shù)據(jù)后需要根據(jù)數(shù)據(jù)的目的網(wǎng)絡確定緩存區(qū)為BUF2還是BUF3)。如果緩沖區(qū)已滿，則產(chǎn)生一個溢出錯誤標志；如果沒有滿，則將數(shù)據(jù)進行相應的協(xié)議轉換，并將轉換后的數(shù)據(jù)存入相應的緩存區(qū)，退出中斷并完成接收。圖6所示為低速CAN數(shù)據(jù)接收過程的簡要流程。
3．4 數(shù)據(jù)的處理
網(wǎng)關的數(shù)據(jù)處理是指協(xié)議的轉換和數(shù)據(jù)在緩沖區(qū)的存儲與轉發(fā)。每當接收到一組數(shù)據(jù)時，首先進行協(xié)議轉換，然后再將其存入到相應的緩存區(qū)。高低速CAN的協(xié)議相同，并不需要轉換，因此主要是進行CAN協(xié)議和LIN協(xié)議之間的轉換。
CAN協(xié)議和LIN協(xié)議都是以幀(frame)為數(shù)據(jù)單位進行通信的。在進行LIN協(xié)議到CAN協(xié)議的轉換時，首先是將LIN幀分解，從標識符場 (identfield)提取出其中的ID標識符，從數(shù)據(jù)場(data field)提取出有效數(shù)據(jù)，然后根據(jù)這些信息封裝成符合要求的CAN幀格式。CAN協(xié)議到LIN協(xié)議的轉換過程亦是如此。先將CAN幀分解，從仲裁域 (arbitraTIon field)和數(shù)據(jù)域(data field)中提取出有用信息，然后封裝成符合要求的LIN幀格式。
數(shù)據(jù)的 4個緩沖區(qū)BUF1～BUF4為FIFO(First InFirst Out)緩沖區(qū)，本文采用循環(huán)隊列(circular queue)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的先進先出。兩個指針Read和Write分別指示隊頭元素和隊尾元素在緩沖區(qū)空間中的位置，它們的初值在隊列初始化時均應置為 0，每讀取或寫入一次數(shù)據(jù)，都要對緩沖區(qū)的參數(shù)進行調整。寫數(shù)據(jù)時，將新元素插入Write所指的位置，然后將Write加1；讀數(shù)據(jù)時，刪去Read所指的元素，然后將Read加1并返回被刪元素。
4 網(wǎng)關通信測試
將網(wǎng)關的高速CAN接口和低速CAN接口分別與單獨的 CAN節(jié)點電路相連，LIN接口與單獨的LIN從節(jié)點相連，組成測試網(wǎng)絡。測試的主要內容為高速 CAN和低速CAN之間的通信，低速CAN和LIN網(wǎng)絡之間的通信。高速CAN網(wǎng)絡采用速率為500 kb／s，低速CAN網(wǎng)絡采用的速率為100kb／s，LIN網(wǎng)絡采用的速率為10 kb／s。利用PC機的串口發(fā)送測試數(shù)據(jù)，同時在另一個串口終端上進行數(shù)據(jù)的監(jiān)測。測試結果表明，發(fā)送數(shù)據(jù)內容與監(jiān)測到的數(shù)據(jù)內容一致。
5 總 結
以AT91SAM7A3為核心設計的一款CAN／LIN混合網(wǎng)關，實現(xiàn)了汽車網(wǎng)絡中高速CAN總線、容錯CAN總線及LIN總線三類網(wǎng)絡之間的通信，使汽車中的各類網(wǎng)絡的信息能夠有效共享，實現(xiàn)了不同性質網(wǎng)絡的互聯(lián)。