基于CAN／LIN息線(xiàn)的汽車(chē)混合網(wǎng)關(guān)設計

摘 要 隨著(zhù)汽車(chē)電子技術(shù)的發(fā)展，CAN、LIN總線(xiàn)在汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )中得到越來(lái)越廣泛的應用。同時(shí)，實(shí)現不同性質(zhì)、不同速率之間的網(wǎng)絡(luò )通信也成為必須要解決的問(wèn)題。本文提出一種高速CAN／低速CAN／LIN網(wǎng)關(guān)的設計方案，詳細介紹了CAN、LIN節點(diǎn)電路的設計以及數據的傳輸處理過(guò)程。

引 言

　　隨著(zhù)汽車(chē)電子的發(fā)展，傳統的點(diǎn)對點(diǎn)的通信已經(jīng)不能滿(mǎn)足現代汽車(chē)通信的要求。汽車(chē)電子網(wǎng)絡(luò )技術(shù)正成為實(shí)現汽車(chē)控制系統的首選，它使汽車(chē)電子技術(shù)進(jìn)入一個(gè)全新的時(shí)代。

　　20世紀90年代，美國汽車(chē)工程師協(xié)會(huì )SAE(Society of Automotive Engineers)將汽車(chē)數據傳輸網(wǎng)分成了A、B、C三類(lèi)：A類(lèi)網(wǎng)絡(luò )主要面向傳感器／執行器的低速網(wǎng)絡(luò )，數據傳輸位速率一般小于10 kb／s，目前A類(lèi)網(wǎng)的首選標準為L(cháng)IN(LocalInterconnect Network)協(xié)議；B類(lèi)網(wǎng)絡(luò )主要面向獨立模塊間數據共享的中速網(wǎng)絡(luò )，數據傳輸位速率在10～125 kb／s，目前B類(lèi)網(wǎng)絡(luò )主要采用低速容錯CAN標準ISO11898-3；C類(lèi)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)，數據傳輸位速率在 125～1 Mb／s之間，歐洲的汽車(chē)制造商主要采用高速CAN標準ISO11898-2來(lái)實(shí)現該類(lèi)網(wǎng)絡(luò )。下面簡(jiǎn)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(xiàn)。時(shí)至今日，CAN已經(jīng)形成國際標準，憑借自身的優(yōu)點(diǎn)，不僅在汽車(chē)領(lǐng)域，而且在機械、數控機床及傳感器等領(lǐng)域都得到廣泛應用。CAN總線(xiàn)的主要特點(diǎn)有：多主機的工作方式；最大傳輸速率可達1 Mb／s(通信距離最長(cháng)40 m)，直接通信距離可達10 km(速率小于5 kb／s)；采用短幀結構，傳輸時(shí)間短；良好的檢錯能力；非破壞總線(xiàn)仲裁技術(shù)；較高的性?xún)r(jià)比。

　　LIN是1998年由BMW等五家汽車(chē)制造商、一家軟件工具制造商以及一家半導體廠(chǎng)商聯(lián)合提出的一個(gè)協(xié)議。LIN通信是基于SCI(UART)數據格式，采用單主／多從模式以及低成本的單線(xiàn)連接方式，最高傳輸速率可達20kb／s。LIN的從節點(diǎn)不用晶振或陶瓷振蕩器就能實(shí)現自同步。出于以上技術(shù)特點(diǎn)， LIN總線(xiàn)實(shí)現成本較低，且完全能夠滿(mǎn)足A類(lèi)網(wǎng)絡(luò )的通信需求。

　　在實(shí)際的汽車(chē)電子網(wǎng)絡(luò )中，A、B、C三類(lèi)網(wǎng)絡(luò )并不是完全獨立的。為了完成車(chē)輛的控制及信息共享，不同網(wǎng)絡(luò )間必須進(jìn)行相應的數據交換。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，而必須作相應的協(xié)議轉換及數據處理后才能實(shí)現，這些工作是由網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現的。本文提出了一種網(wǎng)關(guān)的設計方案，用以實(shí)現高速CAN、低速CAN及LIN三種總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )之間的通信。

1 網(wǎng)關(guān)總體結構

　　本文所討論的網(wǎng)關(guān)其主要任務(wù)是解決車(chē)載網(wǎng)絡(luò )中A、B、C三類(lèi)網(wǎng)絡(luò )的相互通信的問(wèn)題，實(shí)現數據的存儲轉發(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)議轉換，以便在不同網(wǎng)絡(luò )之間實(shí)現數據通信。網(wǎng)關(guān)主要分為4個(gè)部分：實(shí)現數據存儲轉發(fā)和協(xié)議轉換的主控制器，用于與高速CAN網(wǎng)絡(luò )連接的高速CAN 節點(diǎn)模塊，與低速CAN網(wǎng)絡(luò )連接的低速CAN節點(diǎn)模塊以及與LIN網(wǎng)絡(luò )連接的LIN節點(diǎn)模塊。網(wǎng)關(guān)系統的電路框圖如圖1所示。

網(wǎng)關(guān)中三個(gè)節點(diǎn)電路分別與各自的網(wǎng)絡(luò )相連，且實(shí)現各自對應的網(wǎng)絡(luò )與主控制器之間的數據交換。這個(gè)數據交換過(guò)程是雙向的，既包括從網(wǎng)絡(luò )上接收數據并將數據存到主控制器中，又包括從主控制器相應的緩存器中讀取數據并將其發(fā)送到自己對應的網(wǎng)絡(luò )中。主控制器主要負責數據的存儲及協(xié)議的轉換，即將各個(gè)節點(diǎn)接收來(lái)的數據根據其目的網(wǎng)絡(luò )的不同，分別存入不同的緩沖區，并且根據目的網(wǎng)絡(luò )的不同，將數據轉化為能夠在目的網(wǎng)絡(luò )上傳送的數據格式。

2 網(wǎng)關(guān)電路設計

　　如上所述，網(wǎng)關(guān)的硬件電路主要由主控制器、高速CAN節點(diǎn)模塊、低速CAN節點(diǎn)模塊、LIN節點(diǎn)模塊4部分組成。為了滿(mǎn)足網(wǎng)關(guān)的正常通信要求，必須考慮主控制器的數據處理能力。另外，由于網(wǎng)關(guān)的工作環(huán)境為電磁干擾非常嚴重的汽車(chē)內部，故還須考慮網(wǎng)關(guān)的抗噪聲干擾性能。網(wǎng)關(guān)的硬件設計簡(jiǎn)圖如圖2所示， AT91SAM7A3為網(wǎng)關(guān)的主控制芯片，TJA1020為L(cháng)IN總線(xiàn)收發(fā)器，CTM1054為低速CAN收發(fā)器，CTM1050為高速CAN收發(fā)器。