客車網(wǎng)絡(luò)控制中CAN/CAN網(wǎng)橋設(shè)計

1 引言
控制器局部網(wǎng)CAN[1][2]（Controller Area Network）是德國Robert Bosch公司在20世紀80年代初為汽車業(yè)開發(fā)的一種車載專用串行數(shù)據(jù)通信總線，經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)在越來越多的被眾多汽車廠商所認可，并在包括BMW、Benz、VOLVO等汽車上使用。 CAN由于其獨特的特性，不僅在汽車領(lǐng)域，而且在工業(yè)控制領(lǐng)域也得到了廣泛的運用，如工業(yè)現(xiàn)場控制、小區(qū)安防、環(huán)境監(jiān)控等。由于在具體工程運用中，往往需要連接兩路CAN子網(wǎng)，因此CAN/CAN網(wǎng)橋是必不可少的，是組網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備之一。本文在將客車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)劃分為底盤和車身的兩個網(wǎng)絡(luò)控制子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用Philips公司的LPC2119微控制器，從硬件和軟件上設(shè)計了一個CAN/CAN網(wǎng)橋。
2 客車網(wǎng)絡(luò)控制中的CAN/CAN網(wǎng)橋
?由于目前汽車電子應(yīng)用的日益廣泛，CAN在轎車上應(yīng)用日益廣泛，但是在國內(nèi)的應(yīng)用還不是很多，只有在某些高檔豪華的車型上才會采用，CAN在國內(nèi)客車上的應(yīng)用也僅限于由國外公司幫助實施單總線局部聯(lián)網(wǎng)。汽車電子技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化是我國汽車電子研究與應(yīng)用的必然趨勢，CAN作為標準車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其在汽車網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的進程中將起著橋梁和紐帶的作用。由于客車中底盤部分涉及到整車行使的安全性，實時性要求和通信的信息量都明顯高于車身部分，因此本文在將客車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)劃分為兩個子系統(tǒng)（底盤CAN和車身CAN）的基礎(chǔ)上，設(shè)計了連接兩路CAN的網(wǎng)橋。整個系統(tǒng)框架如圖1所示。

該網(wǎng)橋具有實現(xiàn)不同速率的CAN網(wǎng)段連接、不同網(wǎng)段的CAN報文過濾和轉(zhuǎn)發(fā)的功能。
使用CAN/CAN網(wǎng)橋的優(yōu)點[1]主要表現(xiàn)在以下幾方面：
（1）?過濾通信量。網(wǎng)橋接收一個子網(wǎng)的報文，只有當報文是發(fā)送給網(wǎng)橋所連的另一個子網(wǎng)時才轉(zhuǎn)發(fā)，否則不轉(zhuǎn)發(fā)；
（2）?擴大了通信距離；
（3）?提高了通信的最大節(jié)點數(shù)；
（4）?各網(wǎng)段可使用不同的通信速率；
（5）?提高了系統(tǒng)可靠性。當網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，一般只影響個別網(wǎng)段；
（6）?整個網(wǎng)絡(luò)性能得到改善。
當然，使用網(wǎng)橋也有一定的缺點，如：
（1）?由于網(wǎng)橋?qū)邮盏膸却鎯筠D(zhuǎn)發(fā)，增加了延時；
（2）?CAN總線的MAC子層并沒有流量控制功能。當網(wǎng)絡(luò)上的負荷很重時，可能因網(wǎng)橋中緩沖區(qū)的存儲空間不夠而發(fā)生溢出，產(chǎn)生幀丟失的現(xiàn)象；
（3）?網(wǎng)橋若出現(xiàn)故障，對相鄰兩個子網(wǎng)的工作都將產(chǎn)生影響。

3 CAN/CAN網(wǎng)橋的硬件設(shè)計
3.1 LPC2119
CAN/CAN網(wǎng)橋是以ARM微控制器LPC2119[3][5]為核心的軟硬件系統(tǒng)。LPC2119是Philips公司生產(chǎn)的一款基于支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7 TDMI-S MCU，帶有128KB嵌入的高速Flash存儲器。獨特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。對代碼規(guī)模有嚴格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30%，而性能的損失卻很小。LPC2119內(nèi)部集成2個CAN控制器，為設(shè)計CAN/CAN網(wǎng)橋提供了可能。它的主要特性有：單個總線上的數(shù)據(jù)傳輸速率高達1Mb/s；32位寄存器和RAM訪問；兼容CAN2.0B；全局驗收濾波器可以識別所有的11位和29位Rx標識符；驗收濾波器為選擇的標準標識符提供Full CAN style自動接收。
LPC2119內(nèi)部集成的CAN控制器與Philips公司的SJA1000 CAN控制器相比較大致相同，只是在驗收濾波這一環(huán)略有不同，這為習慣SJA1000的開發(fā)人員采用LPC2119提供了方便。在傳統(tǒng)的SJA1000中，接收過濾只能滿足一些規(guī)律性較高的ID篩選過濾，或個數(shù)較少的ID（一般小于10～15個）進行任意篩選過濾，難以實現(xiàn)更復(fù)雜的任意ID進行篩選過濾，這無疑增加了系統(tǒng)軟件設(shè)計及運行時負擔。LPC2000系列32位ARM微控制器中為所有CAN控制器提供了全局的接收標識符查詢功能。它包含一個512×32（2k字節(jié)）的RAM，通過軟件處理，可在RAM中存放1～5個標識符表格。整個AF RAM可容納1024個標準標識符或512個擴展標識符，或兩種類型混合的標識符。由于允許的表格范圍有2k字節(jié)，所以能容易地滿足設(shè)計復(fù)雜的ID接收過濾要求。
全局接收過濾的工作流程：當CAN控制器的接收端已接收到一個完整的標識符，它將通知接收過濾器。接收過濾器響應(yīng)這個信號，并讀出控制器編號、標識符尺寸（11bit或29bit），然后，接收過濾器搜索AF RAM中的表格進行匹配，以決定接收或放棄這一幀信息。

3.2 基于LPC2119的CAN/CAN網(wǎng)橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計
?CAN/CAN網(wǎng)橋的硬件框圖如圖2所示。LPC2119分別通過光電耦合電路和高速CAN總線收發(fā)器TJA1050與兩路總線相連。兩路CAN的連接方式基本相同。CAN總線驅(qū)動器都采用帶隔離的DC/DC模塊單獨供電。這樣，不僅實現(xiàn)了兩路CAN接口之間的電氣隔離，也實現(xiàn)了網(wǎng)橋與CAN總線的隔離。雖然這在一定程度上增加了網(wǎng)橋硬件的復(fù)雜性和成本，但卻是值得的。采取隔離措施可使故障局限在某一網(wǎng)段內(nèi)，而不至于影響其它網(wǎng)段，既便于維護，又保證了系統(tǒng)設(shè)備的安全。采用光電耦合電路將CAN收發(fā)電路與LPC2119從物理上相隔離，避免了電氣上影響LPC2119的工作。
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CAN/CAN網(wǎng)橋除了以上主要部分以外還加了LED指示、看門狗電路和復(fù)位電路。幾個LED主要指示兩路CAN的工作狀況以及出錯報警。LPC2119內(nèi)置了看門狗電路，當由于程序跑飛或者其他原因?qū)е孪到y(tǒng)工作不正常時將自動復(fù)位。復(fù)位電路采用MAX708SD來產(chǎn)生穩(wěn)定的復(fù)位信號。

3.3 CAN/CAN網(wǎng)橋的軟件設(shè)計
?CAN/CAN網(wǎng)橋的主要功能是實現(xiàn)兩路CAN之間的數(shù)據(jù)過濾及轉(zhuǎn)發(fā)，由于客車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中對通訊的實時性的要求，在進行軟件設(shè)計時要做到數(shù)據(jù)存儲和轉(zhuǎn)發(fā)的時間要求盡可能的短。為了達到這一要求，數(shù)據(jù)的接收采用向量中斷（IRQ）方式，而且由于底盤CAN控制子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊量明顯要高于車身CAN控制子系統(tǒng)，因此將連接底盤CAN控制子系統(tǒng)的CAN1接收優(yōu)先級設(shè)置為最高，而連接車身CAN控制子系統(tǒng)的CAN2接收優(yōu)先級次之。同時盡量精簡中斷服務(wù)程序，使系統(tǒng)的響應(yīng)時間盡量的短。對應(yīng)兩路CAN設(shè)置了兩個FIFO的環(huán)形接收緩沖區(qū)，由于CAN1的數(shù)據(jù)通訊量要高，因此CAN1的FIFO環(huán)形接收緩沖區(qū)比CAN2的大，這樣更適合實際情況。
?CAN/CAN網(wǎng)橋的軟件設(shè)計主要包括：兩路CAN控制器的初始化，F(xiàn)IFO環(huán)形接收緩沖區(qū)的設(shè)置，兩路CAN控制器的全局驗收過濾器的設(shè)置，接收中斷服務(wù)程序，CAN發(fā)送程序，主監(jiān)控程序。
?CAN控制器的初始化流程如圖3所示。其中全局驗收過濾器的配置是一個難點，也是區(qū)別于SJA1000獨立CAN控制器的一個地方。有5個地址寄存器用來指向驗收過濾器RAM中的表格：fullCAN標準地址、標準單個地址、標準地址范圍、擴展單個地址和擴展地址范圍。這些表格在存儲器中必須是連續(xù)的。后4個表格的起始地址分別是各自相鄰的前一個表格的終止地址。擴展地址范圍表格的終止地址在表格終止寄存器中給出。如果一個表格的起始地址等于下一個表格的起始地址或表格終止寄存器的值，則該表格為空。
FIFO環(huán)形接收緩沖區(qū)中設(shè)置一個發(fā)送指針、一個接收指針和當前數(shù)據(jù)幀數(shù)frameCount，當frameCount為0時表明FIFO環(huán)形接收緩沖區(qū)是空的。

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?接收中斷服務(wù)程序?qū)⒔邮盏降臄?shù)據(jù)放入對應(yīng)的FIFO環(huán)形接收緩沖區(qū)中并且修改接收指針和當前數(shù)據(jù)幀數(shù)frameCount。
?主監(jiān)控程序負責監(jiān)控兩路CAN的FIFO環(huán)形接收緩沖區(qū)中是否有數(shù)據(jù)，如果其中一路CAN的FIFO環(huán)形接收緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)則向另一路CAN發(fā)送數(shù)據(jù)。主監(jiān)控程序不斷查詢兩路CAN的FIFO環(huán)形接收緩沖區(qū)中的當前數(shù)據(jù)幀數(shù)frameCount標志，如果非零立即向另一路發(fā)送數(shù)據(jù)，并且在子程序CAN1SendToCAN2()和CAN2SendToCAN1()中修改發(fā)送指針和當前數(shù)據(jù)幀數(shù)。主監(jiān)控程序流程如圖4所示。

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4 總結(jié)
?本文在LPC2119的基礎(chǔ)上設(shè)計了一個CAN/CAN網(wǎng)橋，并從硬件和軟件的角度論述了設(shè)計過程。作者采用廣州周立功單片機發(fā)展有限公司的CANalyst-II和USBCAN-II分別模擬客車底盤CAN和車身CAN對網(wǎng)橋進行了大量數(shù)據(jù)的反復(fù)測試，在向兩路CAN連續(xù)不間斷發(fā)送100000幀數(shù)據(jù)的情況下能夠準確的轉(zhuǎn)發(fā)，說明網(wǎng)橋工作可靠。下一步的研究目標將在網(wǎng)橋上移植實時多任務(wù)操作系統(tǒng)μC/OS-II來進一步提高網(wǎng)橋的實時性能。
本文作者創(chuàng)新點: 將客車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)劃分為底盤和車身的兩個網(wǎng)絡(luò)控制子系統(tǒng)，并且設(shè)計了CAN/CAN網(wǎng)橋互連兩個網(wǎng)絡(luò)控制子系統(tǒng)。