基于CAN／LIN息線的汽車混合網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

摘 要 隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，CAN、LIN總線在汽車網(wǎng)絡(luò)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)不同性質(zhì)、不同速率之間的網(wǎng)絡(luò)通信也成為必須要解決的問題。本文提出一種高速CAN／低速CAN／LIN網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)介紹了CAN、LIN節(jié)點(diǎn)電路的設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)的傳輸處理過程。

引 言

　　隨著汽車電子的發(fā)展，傳統(tǒng)的點(diǎn)對點(diǎn)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(luò)技術(shù)正成為實(shí)現(xiàn)汽車控制系統(tǒng)的首選，它使汽車電子技術(shù)進(jìn)入一個(gè)全新的時(shí)代。

　　20世紀(jì)90年代，美國汽車工程師協(xié)會(huì)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(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類網(wǎng)的首選標(biāo)準(zhǔn)為LIN(LocalInterconnect Network)協(xié)議；B類網(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類網(wǎng)絡(luò)主要采用低速容錯(cuò)CAN標(biāo)準(zhǔn)ISO11898-3；C類網(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，歐洲的汽車制造商主要采用高速CAN標(biāo)準(zhǔn)ISO11898-2來實(shí)現(xiàn)該類網(wǎng)絡(luò)。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(huì)上提出了CAN串行總線。時(shí)至今日，CAN已經(jīng)形成國際標(biāo)準(zhǔn)，憑借自身的優(yōu)點(diǎn)，不僅在汽車領(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；非破壞總線仲裁技術(shù)；較高的性價(jià)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(dǎo)體廠商聯(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總線實(shí)現(xiàn)成本較低，且完全能夠滿足A類網(wǎng)絡(luò)的通信需求。

　　在實(shí)際的汽車電子網(wǎng)絡(luò)中，A、B、C三類網(wǎng)絡(luò)并不是完全獨(dú)立的。為了完成車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)是解決車載網(wǎng)絡(luò)中A、B、C三類網(wǎng)絡(luò)的相互通信的問題，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)簡圖如圖2所示， AT91SAM7A3為網(wǎng)關(guān)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。