引 言

隨著汽車(chē)電子的發(fā)展，傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代汽車(chē)通信的要求。汽車(chē)電子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正成為實(shí)現(xiàn)汽車(chē)控制系統(tǒng)的首選，它使汽車(chē)電子技術(shù)進(jìn)入一個(gè)全新的時(shí)代。

20世紀(jì) 90年代，美國(guó)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)SAE(Society of AutomoTIve Engineers)將汽車(chē)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)分成了A、B、C三類(lèi)：A類(lèi)網(wǎng)絡(luò)主要面向傳感器/ 執(zhí)行器的低速網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸位速率一般小于10 kb/s，目前A類(lèi)網(wǎng)的首選標(biāo)準(zhǔn)為L(zhǎng)IN(LocalInterconnect Network)協(xié)議;B類(lèi)網(wǎng)絡(luò)主要面向獨(dú)立模塊間數(shù)據(jù)共享的中速網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸位速率在10～125 kb/s，目前B類(lèi)網(wǎng)絡(luò)主要采用低速容錯(cuò)CAN標(biāo)準(zhǔn)ISO11898-3;C類(lèi)網(wǎng)絡(luò)則主要面向高速、實(shí)時(shí)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(chē)制造商主要采用高速CAN標(biāo)準(zhǔn)ISO11898-2來(lái)實(shí)現(xiàn)該類(lèi)網(wǎng)絡(luò)。下面簡(jiǎn)要介紹一下CAN協(xié)議和LIN協(xié)議。

1986 年2月，德國(guó)的Bosch公司在SAE大會(huì)上提出了CAN串行總線(xiàn)。時(shí)至今日，CAN已經(jīng)形成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，憑借自身的優(yōu)點(diǎn)，不僅在汽車(chē)領(lǐng)域，而且在機(jī)械、數(shù)控機(jī)床及傳感器等領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。CAN總線(xiàn)的主要特點(diǎn)有：多主機(jī)的工作方式;最大傳輸速率可達(dá)1 Mb/s(通信距離最長(zhǎng)40 m)，直接通信距離可達(dá)10 km(速率小于5 kb/s);采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短;良好的檢錯(cuò)能力;非破壞總線(xiàn)仲裁技術(shù);較高的性?xún)r(jià)比。

LIN 是1998年由BMW等五家汽車(chē)制造商、一家軟件工具制造商以及一家半導(dǎo)體廠(chǎng)商聯(lián)合提出的一個(gè)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(xiàn)連接方式，最高傳輸速率可達(dá)20kb/s。 LIN的從節(jié)點(diǎn)不用晶振或陶瓷振蕩器就能實(shí)現(xiàn)自同步。出于以上技術(shù)特點(diǎn)， LIN總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)成本較低，且完全能夠滿(mǎn)足A類(lèi)網(wǎng)絡(luò)的通信需求。

在實(shí)際的汽車(chē)電子網(wǎng)絡(luò)中，A、B、C三類(lèi)網(wǎng)絡(luò)并不是完全獨(dú)立的。為了完成車(chē)輛的控制及信息共享，不同網(wǎng)絡(luò)間必須進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)交換。由于是三種不同的網(wǎng)絡(luò)，它們之間的通信是不能直接進(jìn)行的，而必須作相應(yīng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理后才能實(shí)現(xiàn)，這些工作是由網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本文提出了一種網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)方案，用以實(shí)現(xiàn)高速CAN、低速CAN及LIN三種總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間的通信。

1 網(wǎng)關(guān)總體結(jié)構(gòu)

本文所討論的網(wǎng)關(guān)其主要任務(wù)是解決車(chē)載網(wǎng)絡(luò)中A、B、C三類(lèi)網(wǎng)絡(luò)的相互通信的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換，以便在不同網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。網(wǎng)關(guān)主要分為4個(gè)部分：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)和協(xié)議轉(zhuǎn)換的主控制器，用于與高速CAN網(wǎng)絡(luò)連接的高速CAN 節(jié)點(diǎn)模塊，與低速CAN網(wǎng)絡(luò)連接的低速CAN節(jié)點(diǎn)模塊以及與LIN網(wǎng)絡(luò)連接的LIN節(jié)點(diǎn)模塊。網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的電路框圖如圖1所示。

網(wǎng)關(guān)中三個(gè)節(jié)點(diǎn)電路分別與各自的網(wǎng)絡(luò)相連，且實(shí)現(xiàn)各自對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)與主控制器之間的數(shù)據(jù)交換。這個(gè)數(shù)據(jù)交換過(guò)程是雙向的，既包括從網(wǎng)絡(luò)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(yīng)的緩存器中讀取數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到自己對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)中。主控制器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及協(xié)議的轉(zhuǎn)換，即將各個(gè)節(jié)點(diǎn)接收來(lái)的數(shù)據(jù)根據(jù)其目的網(wǎng)絡(luò)的不同，分別存入不同的緩沖區(qū)，并且根據(jù)目的網(wǎng)絡(luò)的不同，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為能夠在目的網(wǎng)絡(luò)上傳送的數(shù)據(jù)格式。

2 網(wǎng)關(guān)電路設(shè)計(jì)

如上所述，網(wǎng)關(guān)的硬件電路主要由主控制器、高速CAN節(jié)點(diǎn)模塊、低速CAN節(jié)點(diǎn)模塊、LIN節(jié)點(diǎn)模塊4部分組成。為了滿(mǎn)足網(wǎng)關(guān)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(guān)的工作環(huán)境為電磁干擾非常嚴(yán)重的汽車(chē)內(nèi)部，故還須考慮網(wǎng)關(guān)的抗噪聲干擾性能。網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如圖2所示， AT91SAM7A3為網(wǎng)關(guān)的主控制芯片，TJA1020為L(zhǎng)IN總線(xiàn)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效率、高質(zhì)量的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)是網(wǎng)關(guān)的重要目標(biāo)，而主控制器是網(wǎng)關(guān)的核心器件，它的性能好壞直接決定了網(wǎng)關(guān)的效率高低。主控器對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，因此主控制器需要有較高的存儲(chǔ)容量。主控器還要對(duì)它所接收與轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)處理，因此還要有較強(qiáng)的運(yùn)算能力。

本設(shè)計(jì)選用了Atml公司的AT91SAM7A3作為網(wǎng)關(guān)的核心控制器。這是一顆基于ARM7TDMI內(nèi)核的32位RISC處理器，具有執(zhí)行速度快、效率高的特點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)處理要求。該芯片內(nèi)置32 KB的SRAM和256 KB的高速Flash存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)能力強(qiáng)，能夠滿(mǎn)足網(wǎng)關(guān)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求。另外，該芯片內(nèi)部集成有2個(gè)功能強(qiáng)大的CAN2.OB的控制器，可以處理所有類(lèi)型的幀結(jié)構(gòu)(數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀及過(guò)載幀)，每個(gè)控制器有16個(gè)獨(dú)立的緩存區(qū)(mailbox)，十分有利于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)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(xiàn)數(shù)量，有利于提高系統(tǒng)的抗干擾性能。

2. 2 CAN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

常用的 CAN節(jié)點(diǎn)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(qiáng)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(gè)隔離電路。

本網(wǎng)關(guān)中的CAN節(jié)點(diǎn)共有2個(gè)：高速CAN節(jié)點(diǎn)和低速CAN 節(jié)點(diǎn)。由于在汽車(chē)中電磁干擾現(xiàn)象非常嚴(yán)重，僅靠單個(gè)的CAN收發(fā)器難以滿(mǎn)足通信品質(zhì)的要求，需要加上適當(dāng)?shù)母綦x電路以提高電路的抗干擾性。

2 個(gè)節(jié)點(diǎn)的MCU的功能由主控制芯片AT91SAM7A3實(shí)現(xiàn)，且AT91SAM7A3中集成了兩個(gè)高性能的CAN控制器，可以分別作為高低速CAN節(jié)點(diǎn)的控制器。

常用的隔離電路采用高速光耦6N137實(shí)現(xiàn)CAN節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)隔離，并且采用電源隔離模塊實(shí)現(xiàn)高速光耦的兩個(gè)電源的隔離。但是這種設(shè)計(jì)無(wú)疑增加了PCB的走線(xiàn)，使電路的沒(méi)計(jì)變得復(fù)雜，同時(shí)隔離電路的隔離效果也受到影響。

本設(shè)計(jì)采用廣州致遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)了隔離電路和CAN收發(fā)器的功能。這樣就不必單獨(dú)設(shè)計(jì)隔離電路，提高了集成度，使得抗干擾性得到增強(qiáng)。[!--empirenews.page--]

高速CAN收發(fā)器CTM1050，最高速率可達(dá)1 Mb/s，完全符合ISO11898-2標(biāo)準(zhǔn)的高速CAN通信，用它作為高速CAN網(wǎng)絡(luò)接口的收發(fā)器(電路連接方法見(jiàn)圖2)。容錯(cuò)CAN收發(fā)器 CTM1054，最高通信速率可達(dá)125 kb/s，完全符合ISO11898-3標(biāo)準(zhǔn)，用它作為低速CAN網(wǎng)絡(luò)接口的收發(fā)器(電路連接方法見(jiàn)圖2)。需要注意的是，在CTM1054的連接中，有 2個(gè)電阻R1和R2的阻值要根據(jù)低速CAN網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)來(lái)確定。具體值的算法見(jiàn)CTM1054使用手冊(cè)。

2.3 LIN接口設(shè)計(jì)

LIN 總線(xiàn)是一主多從的總線(xiàn)連接方式，節(jié)點(diǎn)有主從之分。在本設(shè)計(jì)中，將LIN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為主節(jié)點(diǎn)。LIN是一個(gè)基于單線(xiàn)串行的通信協(xié)議，對(duì)于硬件的要求比較簡(jiǎn)單。通常一個(gè)有SCI/UART接口的單片機(jī)和一個(gè)LIN收發(fā)器就可組成LIN節(jié)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)利用AT91SAM7A3的UART口和LIN收發(fā)器 TJA1020組成一個(gè)LIN主節(jié)點(diǎn)。

TJA1020使用的波特率可從2.4～20 kb/s，有較好的保護(hù)功能：總線(xiàn)終端和電池引腳可防止汽車(chē)環(huán)境下的瞬變、總線(xiàn)終端對(duì)電池和地的短路保護(hù)以及過(guò)熱保護(hù)等，可以作為汽車(chē)通信中的LIN通信接口(具體電路連接見(jiàn)圖2)。

3 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)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(zhuǎn)換和緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)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(lái)源和目的地。主監(jiān)控程序主要通過(guò)循環(huán)依次查詢(xún)BUF1～BUF4中的存儲(chǔ)情況，來(lái)決定是否發(fā)送數(shù)據(jù)以及將數(shù)據(jù)發(fā)送給誰(shuí)。

當(dāng)高速CAN網(wǎng)絡(luò)上有數(shù)據(jù)需要接收的時(shí)候，通過(guò)高速CAN模塊接收數(shù)據(jù)，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(luò)上;當(dāng)LIN網(wǎng)絡(luò)上有數(shù)據(jù)需要接收時(shí)，通過(guò)LIN總線(xiàn)模塊接收數(shù)據(jù)，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換(LIN格式的報(bào)文幀轉(zhuǎn)換為 CAN 格式的報(bào)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(luò)上;當(dāng)?shù)退貱AN網(wǎng)絡(luò)上有數(shù)據(jù)需要接收時(shí)，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(xiàn)，還是發(fā)送到LIN總線(xiàn)，根據(jù)判斷結(jié)果對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，存入相應(yīng)的緩沖區(qū)(如數(shù)據(jù)是發(fā)往高速CAN總線(xiàn)，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(guān)中主要有3個(gè)發(fā)送子程序，分別對(duì)應(yīng)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(fù)責(zé)發(fā)送BUF1中的數(shù)據(jù)，LIN的發(fā)送子程序負(fù)責(zé)發(fā)送BUF3中的數(shù)據(jù)，低速CAN的發(fā)送子程序負(fù)責(zé)發(fā)送BUF2 和BUF4中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的發(fā)送采用查詢(xún)總線(xiàn)狀態(tài)的發(fā)送方式：查詢(xún)總線(xiàn)的忙閑情況，如果總線(xiàn)忙，則退出發(fā)送子程序，進(jìn)行其他的工作;如果總線(xiàn)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(yīng)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(xiàn)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(kāi)始新一輪的數(shù)據(jù)查詢(xún)發(fā)送過(guò)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(guò)程與此類(lèi)似。