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

1 引言
控制器局部網(wǎng)CAN[1][2]（Controller Area Network）是德國(guó)Robert Bosch公司在20世紀(jì)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(guò)多年的發(fā)展，現(xiàn)在越來(lái)越多的被眾多汽車廠商所認(rèn)可，并在包括BMW、Benz、VOLVO等汽車上使用。 CAN由于其獨(dú)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(yùn)用，如工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制、小區(qū)安防、環(huán)境監(jiān)控等。由于在具體工程運(yùn)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(gè)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(jì)了一個(gè)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(guó)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(huì)采用，CAN在國(guó)內(nèi)客車上的應(yīng)用也僅限于由國(guó)外公司幫助實(shí)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(guó)汽車電子研究與應(yīng)用的必然趨勢(shì)，CAN作為標(biāo)準(zhǔn)車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其在汽車網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的進(jìn)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(shí)時(shí)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(gè)子系統(tǒng)（底盤CAN和車身CAN）的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了連接兩路CAN的網(wǎng)橋。整個(gè)系統(tǒng)框架如圖1所示。

該網(wǎng)橋具有實(shí)現(xiàn)不同速率的CAN網(wǎng)段連接、不同網(wǎng)段的CAN報(bào)文過(guò)濾和轉(zhuǎn)發(fā)的功能。
使用CAN/CAN網(wǎng)橋的優(yōu)點(diǎn)[1]主要表現(xiàn)在以下幾方面：
（1）?過(guò)濾通信量。網(wǎng)橋接收一個(gè)子網(wǎng)的報(bào)文，只有當(dāng)報(bào)文是發(fā)送給網(wǎng)橋所連的另一個(gè)子網(wǎng)時(shí)才轉(zhuǎn)發(fā)，否則不轉(zhuǎn)發(fā)；
（2）?擴(kuò)大了通信距離；
（3）?提高了通信的最大節(jié)點(diǎn)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(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，一般只影響個(gè)別網(wǎng)段；
（6）?整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能得到改善。
當(dāng)然，使用網(wǎng)橋也有一定的缺點(diǎn)，如：
（1）?由于網(wǎng)橋?qū)邮盏膸却鎯?chǔ)后轉(zhuǎn)發(fā)，增加了延時(shí)；
（2）?CAN總線的MAC子層并沒有流量控制功能。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上的負(fù)荷很重時(shí)，可能因網(wǎng)橋中緩沖區(qū)的存儲(chǔ)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(duì)相鄰兩個(gè)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(jì)
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(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7 TDMI-S MCU，帶有128KB嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。對(duì)代碼規(guī)模有嚴(yán)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(guò)30%，而性能的損失卻很小。LPC2119內(nèi)部集成2個(gè)CAN控制器，為設(shè)計(jì)CAN/CAN網(wǎng)橋提供了可能。它的主要特性有：?jiǎn)蝹€(gè)總線上的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)1Mb/s；32位寄存器和RAM訪問(wèn)；兼容CAN2.0B；全局驗(yàn)收濾波器可以識(shí)別所有的11位和29位Rx標(biāo)識(shí)符；驗(yàn)收濾波器為選擇的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符提供Full CAN style自動(dòng)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(yàn)收濾波這一環(huán)略有不同，這為習(xí)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(guò)濾只能滿足一些規(guī)律性較高的ID篩選過(guò)濾，或個(gè)數(shù)較少的ID（一般小于10～15個(gè)）進(jìn)行任意篩選過(guò)濾，難以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的任意ID進(jìn)行篩選過(guò)濾，這無(wú)疑增加了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及運(yùn)行時(shí)負(fù)擔(dān)。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(biāo)識(shí)符查詢功能。它包含一個(gè)512×32（2k字節(jié)）的RAM，通過(guò)軟件處理，可在RAM中存放1～5個(gè)標(biāo)識(shí)符表格。整個(gè)AF RAM可容納1024個(gè)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符或512個(gè)擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符，或兩種類型混合的標(biāo)識(shí)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(jì)復(fù)雜的ID接收過(guò)濾要求。
全局接收過(guò)濾的工作流程：當(dāng)CAN控制器的接收端已接收到一個(gè)完整的標(biāo)識(shí)符，它將通知接收過(guò)濾器。接收過(guò)濾器響應(yīng)這個(gè)信號(hào)，并讀出控制器編號(hào)、標(biāo)識(shí)符尺寸（11bit或29bit），然后，接收過(guò)濾器搜索AF RAM中的表格進(jìn)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(jì)
?CAN/CAN網(wǎng)橋的硬件框圖如圖2所示。LPC2119分別通過(guò)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(dòng)器都采用帶隔離的DC/DC模塊單獨(dú)供電。這樣，不僅實(shí)現(xiàn)了兩路CAN接口之間的電氣隔離，也實(shí)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(hù)，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(gè)LED主要指示兩路CAN的工作狀況以及出錯(cuò)報(bào)警。LPC2119內(nèi)置了看門狗電路，當(dāng)由于程序跑飛或者其他原因?qū)е孪到y(tǒng)工作不正常時(shí)將自動(dòng)復(fù)位。復(fù)位電路采用MAX708SD來(lái)產(chǎn)生穩(wěn)定的復(fù)位信號(hào)。

3.3 CAN/CAN網(wǎng)橋的軟件設(shè)計(jì)
?CAN/CAN網(wǎng)橋的主要功能是實(shí)現(xiàn)兩路CAN之間的數(shù)據(jù)過(guò)濾及轉(zhuǎn)發(fā)，由于客車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中對(duì)通訊的實(shí)時(shí)性的要求，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)要做到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)間要求盡可能的短。為了達(dá)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(jí)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(jí)次之。同時(shí)盡量精簡(jiǎn)中斷服務(wù)程序，使系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間盡量的短。對(duì)應(yīng)兩路CAN設(shè)置了兩個(gè)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(shí)際情況。
?CAN/CAN網(wǎng)橋的軟件設(shè)計(jì)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(yàn)收過(guò)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(yàn)收過(guò)濾器的配置是一個(gè)難點(diǎn)，也是區(qū)別于SJA1000獨(dú)立CAN控制器的一個(gè)地方。有5個(gè)地址寄存器用來(lái)指向驗(yàn)收過(guò)濾器RAM中的表格：fullCAN標(biāo)準(zhǔn)地址、標(biāo)準(zhǔn)單個(gè)地址、標(biāo)準(zhǔn)地址范圍、擴(kuò)展單個(gè)地址和擴(kuò)展地址范圍。這些表格在存儲(chǔ)器中必須是連續(xù)的。后4個(gè)表格的起始地址分別是各自相鄰的前一個(gè)表格的終止地址。擴(kuò)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(gè)表格的起始地址等于下一個(gè)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(gè)發(fā)送指針、一個(gè)接收指針和當(dāng)前數(shù)據(jù)幀數(shù)frameCount，當(dāng)frameCount為0時(shí)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(duì)應(yīng)的FIFO環(huán)形接收緩沖區(qū)中并且修改接收指針和當(dāng)前數(shù)據(jù)幀數(shù)frameCount。
?主監(jiān)控程序負(fù)責(zé)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(dāng)前數(shù)據(jù)幀數(shù)frameCount標(biāo)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(dāng)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(jì)了一個(gè)CAN/CAN網(wǎng)橋，并從硬件和軟件的角度論述了設(shè)計(jì)過(guò)程。作者采用廣州周立功單片機(jī)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(duì)網(wǎng)橋進(jìn)行了大量數(shù)據(jù)的反復(fù)測(cè)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(zhǔn)確的轉(zhuǎn)發(fā)，說(shuō)明網(wǎng)橋工作可靠。下一步的研究目標(biāo)將在網(wǎng)橋上移植實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)μC/OS-II來(lái)進(jìn)一步提高網(wǎng)橋的實(shí)時(shí)性能。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn): 將客車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)劃分為底盤和車身的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制子系統(tǒng)，并且設(shè)計(jì)了CAN/CAN網(wǎng)橋互連兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制子系統(tǒng)。