客車(chē)網(wǎng)絡(luò )控制中CAN/CAN網(wǎng)橋設計

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(chē)業(yè)開(kāi)發(fā)的一種車(chē)載專(zhuān)用串行數據通信總線(xiàn)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，現在越來(lái)越多的被眾多汽車(chē)廠(chǎng)商所認可，并在包括BMW、Benz、VOLVO等汽車(chē)上使用。 CAN由于其獨特的特性，不僅在汽車(chē)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)現場(chǎng)控制、小區安防、環(huán)境監控等。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)鍵設備之一。本文在將客車(chē)網(wǎng)絡(luò )控制系統劃分為底盤(pán)和車(chē)身的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )控制子系統的基礎上，利用Philips公司的LPC2119微控制器，從硬件和軟件上設計了一個(gè)CAN/CAN網(wǎng)橋。
2 客車(chē)網(wǎng)絡(luò )控制中的CAN/CAN網(wǎng)橋
由于目前汽車(chē)電子應用的日益廣泛，CAN在轎車(chē)上應用日益廣泛，但是在國內的應用還不是很多，只有在某些高檔豪華的車(chē)型上才會(huì )采用，CAN在國內客車(chē)上的應用也僅限于由國外公司幫助實(shí)施單總線(xiàn)局部聯(lián)網(wǎng)。汽車(chē)電子技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )化是我國汽車(chē)電子研究與應用的必然趨勢，CAN作為標準車(chē)載網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，其在汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )化應用的進(jìn)程中將起著(zhù)橋梁和紐帶的作用。由于客車(chē)中底盤(pán)部分涉及到整車(chē)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(chē)身部分，因此本文在將客車(chē)網(wǎng)絡(luò )控制系統劃分為兩個(gè)子系統（底盤(pán)CAN和車(chē)身CAN）的基礎上，設計了連接兩路CAN的網(wǎng)橋。整個(gè)系統框架如圖1所示。

該網(wǎng)橋具有實(shí)現不同速率的CAN網(wǎng)段連接、不同網(wǎng)段的CAN報文過(guò)濾和轉發(fā)的功能。
使用CAN/CAN網(wǎng)橋的優(yōu)點(diǎn)[1]主要表現在以下幾方面：
（1）過(guò)濾通信量。網(wǎng)橋接收一個(gè)子網(wǎng)的報文，只有當報文是發(fā)送給網(wǎng)橋所連的另一個(gè)子網(wǎng)時(shí)才轉發(fā)，否則不轉發(fā)；
（2）擴大了通信距離；
（3）提高了通信的最大節點(diǎn)數；
（4）各網(wǎng)段可使用不同的通信速率；
（5）提高了系統可靠性。當網(wǎng)絡(luò )出現故障時(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。
當然，使用網(wǎng)橋也有一定的缺點(diǎn)，如：
（1）由于網(wǎng)橋對接收的幀要先存儲后轉發(fā)，增加了延時(shí)；
（2）CAN總線(xiàn)的MAC子層并沒(méi)有流量控制功能。當網(wǎng)絡(luò )上的負荷很重時(shí)，可能因網(wǎng)橋中緩沖區的存儲空間不夠而發(fā)生溢出，產(chǎn)生幀丟失的現象；
（3）網(wǎng)橋若出現故障，對相鄰兩個(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。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存儲器。獨特的加速結構使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運行。對代碼規模有嚴格控制的應用可使用16位Thumb模式將代碼規模降低超過(guò)30%，而性能的損失卻很小。LPC2119內部集成2個(gè)CAN控制器，為設計CAN/CAN網(wǎng)橋提供了可能。它的主要特性有：?jiǎn)蝹€(gè)總線(xiàn)上的數據傳輸速率高達1Mb/s；32位寄存器和RAM訪(fǎng)問(wèn)；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(dòng)接收。
LPC2119內部集成的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(kāi)發(fā)人員采用LPC2119提供了方便。在傳統的SJA1000中，接收過(guò)濾只能滿(mǎn)足一些規律性較高的ID篩選過(guò)濾，或個(gè)數較少的ID（一般小于10～15個(gè)）進(jìn)行任意篩選過(guò)濾，難以實(shí)現更復雜的任意ID進(jìn)行篩選過(guò)濾，這無(wú)疑增加了系統軟件設計及運行時(shí)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(xún)功能。它包含一個(gè)512×32（2k字節）的RAM，通過(guò)軟件處理，可在RAM中存放1～5個(gè)標識符表格。整個(gè)AF RAM可容納1024個(gè)標準標識符或512個(gè)擴展標識符，或兩種類(lèi)型混合的標識符。由于允許的表格范圍有2k字節，所以能容易地滿(mǎn)足設計復雜的ID接收過(guò)濾要求。
全局接收過(guò)濾的工作流程：當CAN控制器的接收端已接收到一個(gè)完整的標識符，它將通知接收過(guò)濾器。接收過(guò)濾器響應這個(gè)信號，并讀出控制器編號、標識符尺寸（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)橋的結構設計
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(xiàn)收發(fā)器TJA1050與兩路總線(xiàn)相連。兩路CAN的連接方式基本相同。CAN總線(xiàn)驅動(dòng)器都采用帶隔離的DC/DC模塊單獨供電。這樣，不僅實(shí)現了兩路CAN接口之間的電氣隔離，也實(shí)現了網(wǎng)橋與CAN總線(xiàn)的隔離。雖然這在一定程度上增加了網(wǎng)橋硬件的復雜性和成本，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，而不至于影響其它網(wǎng)段，既便于維護，又保證了系統設備的安全。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。

CAN/CAN網(wǎng)橋除了以上主要部分以外還加了LED指示、看門(mén)狗電路和復位電路。幾個(gè)LED主要指示兩路CAN的工作狀況以及出錯報警。LPC2119內置了看門(mén)狗電路，當由于程序跑飛或者其他原因導致系統工作不正常時(shí)將自動(dòng)復位。復位電路采用MAX708SD來(lái)產(chǎn)生穩定的復位信號。