基于CAN／LIN息線(xiàn)的混合網(wǎng)關(guān)設計

2．1 主控制器的選擇
實(shí)現數據的高效率、高質(zhì)量的存儲轉發(fā)是網(wǎng)關(guān)的重要目標，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。主控器對接收到的數據進(jìn)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發(fā)的數據進(jìn)行協(xié)議轉換等數據處理，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(guān)的核心控制器。這是一顆基于ARM7TDMI內核的32位RISC處理器，具有執行速度快、效率高的特點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足網(wǎng)關(guān)的數據處理要求。該芯片內置32 KB的SRAM和256 KB的高速Flash存儲器，存儲能力強，能夠滿(mǎn)足網(wǎng)關(guān)對數據存儲的要求。另外，該芯片內部集成有2個(gè)功能強大的CAN2．OB的控制器，可以處理所有類(lèi)型的幀結構(數據幀、遠程幀、錯誤幀及過(guò)載幀)，每個(gè)控制器有16個(gè)獨立的緩存區(mailbox)，十分有利于實(shí)現網(wǎng)關(guān)高速、大容量的數據處理。集成的 CAN控制器還能夠減少器件數目和PCB布線(xiàn)數量，有利于提高系統的抗干擾性能。
2. 2 CAN節點(diǎn)設計
常用的CAN節點(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節點(diǎn)共有2個(gè)：高速CAN節點(diǎn)和低速CAN節點(diǎn)。由于在汽車(chē)中電磁干擾現象非常嚴重，僅靠單個(gè)的CAN收發(fā)器難以滿(mǎn)足通信品質(zhì)的要求，需要加上適當的隔離電路以提高電路的抗干擾性。
2個(gè)節點(diǎn)的MCU的功能由主控制芯片AT91SAM7A3實(shí)現，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節點(diǎn)的控制器。
常用的隔離電路采用高速光耦6N137實(shí)現CAN節點(diǎn)之間的信號隔離，并且采用電源隔離模塊實(shí)現高速光耦的兩個(gè)電源的隔離。但是這種設計無(wú)疑增加了PCB的走線(xiàn)，使電路的沒(méi)計變得復雜，同時(shí)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(shí)現了隔離電路和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(luò )接口的收發(fā)器(電路連接方法見(jiàn)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(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的阻值要根據低速CAN網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)的個(gè)數來(lái)確定。具體值的算法見(jiàn)CTM1054使用手冊。
2．3 LIN接口設計
LIN總線(xiàn)是一主多從的總線(xiàn)連接方式，節點(diǎn)有主從之分。在本設計中，將LIN節點(diǎn)設計為主節點(diǎn)。LIN是一個(gè)基于單線(xiàn)串行的通信協(xié)議，對于硬件的要求比較簡(jiǎn)單。通常一個(gè)有SCI/UART接口的單片機和一個(gè)LIN收發(fā)器就可組成LIN節點(diǎn)。本設計利用AT91SAM7A3的UART口和LIN收發(fā)器 TJA1020組成一個(gè)LIN主節點(diǎn)。
TJA1020使用的波特率可從2．4～20 kb／s，有較好的保護功能：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)終端對電池和地的短路保護以及過(guò)熱保護等，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)軟件設計
網(wǎng)關(guān)的軟件系統主要包括主監控程序、數據的發(fā)送、數據的接收、數據的處理(包括協(xié)議轉換和緩沖區內數據的讀寫(xiě)處理)等幾部分。
3．1 主監控程序
如圖4所示，在主控制器AT91SAM7A3中劃出4塊緩沖區BUF1～BUF4，每一塊緩沖區中的數據都有明確而且唯一的來(lái)源和目的地。主監控程序主要通過(guò)循環(huán)依次查詢(xún)BUF1～BUF4中的存儲情況，來(lái)決定是否發(fā)送數據以及將數據發(fā)送給誰(shuí)。

當高速CAN網(wǎng)絡(luò )上有數據需要接收的時(shí)候，通過(guò)高速CAN模塊接收數據，對接收到的數據進(jìn)行處理后，將其存到緩沖區BUF1中，再由低速CAN模塊將其發(fā)送到低速CAN網(wǎng)絡(luò )上；當LIN網(wǎng)絡(luò )上有數據需要接收時(shí)，通過(guò)LIN總線(xiàn)模塊接收數據，對接收到的數據進(jìn)行數據格式轉換(LIN格式的報文幀轉換為CAN 格式的報文幀)，再將其存入到緩沖區BUF4中，并由低速CAN模塊將其發(fā)送到低速CAN網(wǎng)絡(luò )上；當低速CAN網(wǎng)絡(luò )上有數據需要接收時(shí)，先接收數據，然后判斷數據是發(fā)送到高速CAN總線(xiàn)，還是發(fā)送到LIN總線(xiàn)，根據判斷結果對數據進(jìn)行處理，存入相應的緩沖區(如數據是發(fā)往高速CAN總線(xiàn)，則存入BUF2，否則存入BUF3)。
3．2 數據的發(fā)送
數據的發(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中的數據，LIN的發(fā)送子程序負責發(fā)送BUF3中的數據，低速CAN的發(fā)送子程序負責發(fā)送BUF2 和BUF4中的數據。數據的發(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)送數據。發(fā)送完1幀數據后，再檢查與之相應的緩沖區的狀態(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)送數據。然后再開(kāi)始新一輪的數據查詢(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。