基于CAN/LIN總線的車載通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

廖先莉，雷 霖，羅正華

(成都大學 電子信息工程學院，四川 成都 610106)

0 引 言

目前，發(fā)展中的汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有高速容錯網(wǎng)絡(luò)FlexRay、藍牙、無線局域網(wǎng)以及用于多媒體和導航的MOST 等無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，而車內(nèi)的電子控制系統(tǒng)主要由CAN/LIN 網(wǎng)絡(luò)組成［1－3］.CAN/LIN 混合網(wǎng)絡(luò)在汽車上的應(yīng)用將會使汽車網(wǎng)絡(luò)的可靠性以及經(jīng)濟性得到較大的提高［4－5］.本研究依據(jù)CAN 和LIN協(xié)議，設(shè)計構(gòu)建了一個基于CAN/LIN 總線的車載通信網(wǎng)絡(luò)，并對其進行了測試和驗證.

1 CAN/LIN 總線概述

1.1 CAN 總線

CAN 總線是20 世紀80年代德國博世公司專門為汽車行業(yè)開發(fā)的一種串行通信總線.CAN 總線具有很高的實時性能，從傳輸速率最高可達1 Mbps的高速網(wǎng)絡(luò)到低成本多線路的50 Kbps 網(wǎng)絡(luò)都可以任意搭配，由于其高性能、高可靠性被廣泛應(yīng)用于汽車業(yè)、航空業(yè)、工業(yè)控制與安全防護等領(lǐng)域［2］.

1.2 LIN 總線

LIN 總線是一種低成本的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，用于實現(xiàn)汽車中的分布式電子系統(tǒng)控制［3］.LIN 總線是一種輔助的總線網(wǎng)絡(luò)，為現(xiàn)有汽車網(wǎng)絡(luò)(例如CAN總線)提供輔助功能，在不需要CAN 總線的帶寬和多功能的場合，比如智能傳感器和制動裝置之間的通訊，使用LIN 總線可大大節(jié)省成本.

2 車載通信網(wǎng)絡(luò)平臺總體設(shè)計

汽車內(nèi)電子控制單元間的數(shù)據(jù)傳輸特征主要區(qū)別在于數(shù)據(jù)的傳輸速率，美國汽車工程師協(xié)會(SAE)將汽車網(wǎng)絡(luò)根據(jù)速率劃分為:A(低速，1 ～10 Kbps)、B(中速，10 ～100 Kbps)、C(高速，最高可達1 Mbps)3 個等級［4］.

本研究設(shè)計的汽車車載CAN/LIN 總線的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型如圖1 所示.

圖1 汽車車載CAN/LIN 通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)示意圖

如圖1，數(shù)據(jù)傳輸速率較高的CAN 總線用于B、C 類網(wǎng)絡(luò)，其控制對象主要包括發(fā)動機電控系統(tǒng)、ABS/ ASR、自動變速器、安全氣囊控制器及組合儀表信號的采集系統(tǒng)等實時性要求高的系統(tǒng).LIN 總線用于A 類系統(tǒng)，其控制對象主要為車燈、電動座椅、中央門鎖、后視鏡、車窗控制開關(guān)等實時性要求低的系統(tǒng).在該系統(tǒng)中，CAN 總線和LIN總線通過一個網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)交換.

3 總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

3.1 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

3.1.1 接口設(shè)計.

CAN 總線收發(fā)器提供CAN 總線通信控制器與物理傳輸媒介之間的接口，是影響CAN 網(wǎng)絡(luò)通信的一個重要器件.本設(shè)計選用飛利浦公司的數(shù)字電路芯片TJA1040 作為CAN 總線收發(fā)器，其速率可達1 MBaud，滿足CAN 總線的高速應(yīng)用.TJA1040 可為CAN 總線提供差動的發(fā)送功能，為CAN 總線通信控制器提供差動的接收功能.

3.1.2 協(xié)議設(shè)計.

本設(shè)計中的CAN 總線網(wǎng)絡(luò)采用CAN 2.0B 所規(guī)定的標準數(shù)據(jù)幀格式，CAN 2.0B 標準幀共有11位標志位［5］.根據(jù)CAN 數(shù)據(jù)幀格式，統(tǒng)一定義:保留位R 為0，數(shù)據(jù)頁DP 為0，IDE 為0(為標準幀)，協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU 格式場PF 為0xFF，RTR 為0.優(yōu)先級依照節(jié)點的需求級別來定義，而數(shù)據(jù)塊長度DLC則需根據(jù)實際的數(shù)據(jù)字節(jié)來定義，源地址和目標地址則根據(jù)各個節(jié)點地址定義.若目標地址定義為CAN/LIN 網(wǎng)關(guān)地址，則定義第1 個數(shù)據(jù)字節(jié)為源地址，第2 個數(shù)據(jù)字節(jié)為最終的目標地址，余下字節(jié)則為純數(shù)據(jù)字節(jié).

3.2 LIN 總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

3.2.1 接口設(shè)計.

本設(shè)計選用飛利浦公司的數(shù)字電路芯片TJA1020 作為LIN 總線收發(fā)器.TJA1020 收發(fā)器是一個物理媒體連接，它是LIN 主/從機協(xié)議控制器和LIN 傳輸媒體之間的接口，協(xié)議控制器輸入引腳TXD 的發(fā)送數(shù)據(jù)流被LIN 收發(fā)器轉(zhuǎn)換成總線信號.TJA1020 的接收器檢測到LIN 總線上的數(shù)據(jù)流并通過RXD 引腳將它傳送到協(xié)議控制器.收發(fā)器有低功耗管理模式，它在睡眠模式中幾乎不消耗電流并在錯誤模式中減少功率消耗.

3.2.2 協(xié)議設(shè)計.

完整的LIN 數(shù)據(jù)幀包括同步間隔、同步場、標識符ID、數(shù)據(jù)字節(jié)以及校驗碼［6］.同步場的格式為0x55，校驗碼是所有數(shù)據(jù)場字節(jié)相加之后再取反，接收處的節(jié)點也將所有數(shù)據(jù)場字節(jié)相加，然后將其和與校驗碼相加，判斷結(jié)果是否為0xFF，若不是則表明數(shù)據(jù)傳輸出了錯誤.LIN 數(shù)據(jù)定義第1 個字節(jié)為源地址(SA)，定義第2 個字節(jié)為目標地址(DA)，其余字節(jié)為純數(shù)據(jù)字節(jié).

4 網(wǎng)關(guān)設(shè)計

4.1 網(wǎng)關(guān)接口設(shè)計

CAN/LIN 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計如圖2 所示.

圖2 CAN/LIN 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計框圖

CAN/LIN 網(wǎng)關(guān)既是CAN 節(jié)點又是LIN 節(jié)點，網(wǎng)關(guān)節(jié)點實現(xiàn)CAN 與LIN 總線數(shù)據(jù)幀的拆分、數(shù)據(jù)的暫存和數(shù)據(jù)幀的生成.網(wǎng)關(guān)硬件主芯片選取MC9S08DZ60，MC9S08DZ60 芯片中的MSCAN(CAN通信控制器模塊)，通過PTE6 和PTE7 引腳分別和CAN 總線收發(fā)器TJA1040 的TXD 和RXD 引腳相連接，TAJ1040 的引腳CANH 和CANL 與CAN 總線接口相連接，實現(xiàn)CAN 數(shù)據(jù)幀的接收和發(fā)送.此外，MC9S08DZ60 芯片其他引腳還可以與按鍵電路和控制電路相連接，實現(xiàn)一定的通信和控制功能.

4.2 協(xié)議轉(zhuǎn)換

1)CAN/LIN 網(wǎng)關(guān)和其他CAN 節(jié)點之間進行通信.如果向其他CAN 節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀，首先根據(jù)所要生成的CAN 數(shù)據(jù)幀接收節(jié)點地址，設(shè)置CAN 數(shù)據(jù)幀的ID 值，發(fā)送ID 場;根據(jù)所發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)的長度設(shè)置DLC 值，發(fā)送DLC 和CAN 控制位;發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié);計算CRC 場的值，并發(fā)送CRC 場;發(fā)送ACK 場，發(fā)送CAN 數(shù)據(jù)幀幀結(jié)尾，完成CAN 數(shù)據(jù)幀的發(fā)送.如果接收來自CAN 節(jié)點的數(shù)據(jù)幀，并且進行拆分，首先由MSCAN 濾波器判斷ID 值是否是要接收的ID，如果是則進行接收，否則不進行接收;接收DLC 場，確定所要接收的數(shù)據(jù)場長度;接收數(shù)據(jù)場，接收CRC 場，并判斷CRC 值是否正確，如果正確就保存數(shù)據(jù)，否則丟棄數(shù)據(jù)幀，并發(fā)出遠程幀，請求重新發(fā)送CAN 數(shù)據(jù)幀，完成CAN 數(shù)據(jù)幀的接收.

2)CAN/LIN 總線通信網(wǎng)關(guān)與LIN 從節(jié)點進行通信.如果向從節(jié)點發(fā)送LIN 數(shù)據(jù)幀，首先發(fā)送LIN數(shù)據(jù)幀同步間隔和同步間隔校驗，然后發(fā)送LIN 數(shù)據(jù)幀同步場0x55 和同步場校驗，然后根據(jù)接收LIN數(shù)據(jù)幀的LIN 從節(jié)點的地址計算出ID 場的值，并且發(fā)送ID 場和LIN 數(shù)據(jù)場，在計算LIN 數(shù)據(jù)幀校驗和場的值，并發(fā)送這個值，完成LIN 數(shù)據(jù)幀的發(fā)送.如果接收來自LIN 從節(jié)點的數(shù)據(jù)幀，首先接收LIN 數(shù)據(jù)幀同步場，進行接收同步，然后接收LIN 數(shù)據(jù)幀ID，由SCI 濾波器判斷D 值是否是要接收的ID，如果是則接收后面的數(shù)據(jù)字節(jié)，否則丟棄數(shù)據(jù)幀，在接收校驗和場，檢驗校驗和場是否正確，如果正確就保存數(shù)據(jù)，否則丟棄數(shù)據(jù)幀，完成LIN 數(shù)據(jù)幀的接收.

3)非CAN/LIN 通信網(wǎng)關(guān)的CAN 節(jié)點將數(shù)據(jù)以CAN 數(shù)據(jù)幀發(fā)送到CAN 總線上.在CAN/LIN 網(wǎng)關(guān)在接收到CAN 數(shù)據(jù)幀之后，在MC9S08DZ60 芯片中將CAN 數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)字節(jié)拆分出來，再根據(jù)它第1 個數(shù)據(jù)字節(jié)的源地址和第2 個數(shù)據(jù)字節(jié)的目標地址，配置LIN 數(shù)據(jù)字節(jié)的源地址和目標地址，即LIN數(shù)據(jù)幀的第1 字節(jié)和第2 字節(jié)數(shù)據(jù)字節(jié)的內(nèi)容.同時，根據(jù)加上余下的純數(shù)據(jù)字節(jié)后的長度配置DLC，然后把CAN 的數(shù)據(jù)字節(jié)配置成為LIN 的數(shù)據(jù)字節(jié)，最后，再加上同步場0x55 和相應(yīng)的校驗碼，完成CAN 數(shù)據(jù)幀向LIN 數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)換.

4)由LIN 從節(jié)點發(fā)送LIN 數(shù)據(jù)幀到LIN 總線上.在CAN/LIN 網(wǎng)關(guān)在接收到LIN 數(shù)據(jù)幀之后，在MC9S08DZ60 芯片中將LIN 數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)字節(jié)拆分出來，根據(jù)第2 個數(shù)據(jù)字節(jié)即數(shù)據(jù)幀的目的地址配置CAN 數(shù)據(jù)的優(yōu)先級，根據(jù)第1 個和第2 個數(shù)據(jù)字節(jié)配置CAN 數(shù)據(jù)幀的源地址和目標地址，根據(jù)純數(shù)據(jù)字節(jié)個數(shù)定義CAN 數(shù)據(jù)塊長度，然后將純數(shù)據(jù)字節(jié)配置為CAN 數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)，最后加上CAN數(shù)據(jù)幀的統(tǒng)一定義位，實現(xiàn)LIN 數(shù)據(jù)幀向CAN 數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)換.

5 仿真實驗

根據(jù)CAN/LIN 總線協(xié)議轉(zhuǎn)換特點，本研究在Simulink 仿真環(huán)境下利用所提供的函數(shù)庫模塊并編寫程序分別建立CAN 節(jié)點仿真模型、CAN/LIN 網(wǎng)關(guān)仿真模型和LIN 節(jié)點仿真模型，然后利用所建的仿真模型搭建CAN/LIN 總體的車載通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如圖3 所示.

圖3 CAN/LIN 車載通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型

圖3 模型中，有3 個CAN 節(jié)點，2 個LIN 節(jié)點和1 個CAN/LIN 網(wǎng)關(guān).模型中每個CANtr 和對應(yīng)的CANre 模塊組成一個CAN 節(jié)點，LINtr 和對應(yīng)的LINre 模塊組成一個LIN 節(jié)點，reCAN 模塊、trCAN模塊、reLIN 模塊和trLIN 模塊組成了CAN/LIN 網(wǎng)關(guān)節(jié)點.為了使模型簡潔，沒有加入每個階段的數(shù)據(jù)顯示模塊，其中CAN、LIN 節(jié)點的數(shù)據(jù)幀采用不同周期發(fā)送.CAN 節(jié)點模型每秒發(fā)送5 幀數(shù)據(jù)，LIN 節(jié)點模型每秒發(fā)送2 幀數(shù)據(jù).CAN 數(shù)據(jù)幀之間通過比較ID 的大小來競爭使用CAN 總線，模型中的Subsystem 模塊對總線上的CAN 數(shù)據(jù)幀ID 進行比較，選擇ID 較小的數(shù)據(jù)幀進行發(fā)送.

在利用該模型進行仿真時，模型中的節(jié)點按各自的周期發(fā)送由Workspace 輸入的數(shù)據(jù)，加入數(shù)據(jù)幀顯示模塊對數(shù)據(jù)的傳輸過程進行觀察，并確認CAN 數(shù)據(jù)幀和LIN 數(shù)據(jù)幀的正確生成、發(fā)送和接收.

1)在 Matlab 的 Workspace 中 輸 入 x1 =［1010110-011010111］，設(shè)定該數(shù)據(jù)由CAN1 節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，經(jīng)CAN/LIN 總線通信網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)后由LIN2節(jié)點接收.

圖4 所示為數(shù)據(jù)幀的第38 位到54 位是所發(fā)送的純數(shù)據(jù)字節(jié)，由圖中可見是［1010110011010111］，即x1，該數(shù)據(jù)幀經(jīng)CAN/LIN 總線通信網(wǎng)關(guān)拆分提取，轉(zhuǎn)化為LIN 數(shù)據(jù)幀發(fā)送到LIN 總線上(見圖5).數(shù)據(jù)幀的第41 位到51 位是所發(fā)送的純數(shù)據(jù)字節(jié)(LIN 數(shù)據(jù)幀采用8N1編碼，每一個字節(jié)有一個起始位和一個終止位)，由圖中可見是［101011001101011-

1］，即x1，該數(shù)據(jù)經(jīng)LIN2 節(jié)點拆分后可得.同時，當LIN1 接收到該數(shù)據(jù)幀時，由于ID 不匹配，將舍棄對該數(shù)據(jù)幀的接收.

以上結(jié)果驗證了CAN1 節(jié)點所發(fā)送出的數(shù)據(jù)被所需要的節(jié)點LIN2 正確接收.

2)在Matlab 的Workspace 中輸入y1 =［1101011-010101101］，設(shè)定作為LIN 節(jié)點的待發(fā)送數(shù)據(jù)，經(jīng)CAN/LIN 總線通信網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)后由CAN2 節(jié)點接收.

圖6 所示為LIN 總線上的數(shù)據(jù)幀從第41 位到51 位是所發(fā)送的純數(shù)據(jù)字節(jié)(LIN 數(shù)據(jù)幀采用8N1編碼，每一個字節(jié)有一個起始位和一個終止位)，由圖中可見是［1101011010101101］，即y1.

圖7 所示為CAN/LIN 總線通信網(wǎng)關(guān)將拆分LIN 數(shù)據(jù)幀所得到的數(shù)據(jù)作為CAN 數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)生成和發(fā)送的CAN 數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀的第38 位到54位是所發(fā)送的純數(shù)據(jù)字節(jié)，由圖中可見是［110101101010-1101］，即y1，CAN2 節(jié)點接收到CAN 數(shù)據(jù)幀以后，拆分數(shù)據(jù)幀可得到該數(shù)據(jù).

在對CAN2 節(jié)點所接收到的數(shù)據(jù)進行觀察的同時，利用顯示模塊對CAN1 節(jié)點和CAN3 節(jié)點收到的數(shù)據(jù)進行觀察，顯示它們沒有收到數(shù)據(jù).這一結(jié)果驗證了LIN1 節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)被所需要的節(jié)點正確接收.

6 結(jié) 論

本研究設(shè)計的基于CAN/LIN 總線的車載通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng).仿真模型中，各CAN 總線節(jié)點和LIN 總線節(jié)點模型都能夠正確發(fā)送和接收數(shù)據(jù);CAN/LIN總線通信網(wǎng)關(guān)模型能夠正確實現(xiàn)CAN 數(shù)據(jù)幀和LIN 數(shù)據(jù)幀的接收、發(fā)送和協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)和通信控制功能.

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