基于CAN／LIN息線的混合網(wǎng)關設計

2．1 主控制器的選擇
實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效率、高質(zhì)量的存儲轉(zhuǎn)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(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)進行協(xié)議轉(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(jié)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(zhì)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(zhuǎn)換和緩沖區(qū)內(nèi)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(zhuǎn)換(LIN格式的報文幀轉(zhuǎn)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(jié)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。