一種基于Salvo的通用CAN/LIN網(wǎng)關(guān)

1  引言
CAN（Controller Area Network，即控制器局域網(wǎng)）是上世紀80年代初由德國Bosch公司提出專用于汽車的串行總線。由于其數(shù)據(jù)傳輸率高，傳輸距離遠，實時性好，可靠性高等眾多優(yōu)點已在汽車工業(yè)、航空工業(yè)、工業(yè)測控等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。在某些通信性能要求不高的場合為了降低網(wǎng)絡(luò)控制的成本，1998年由汽車制造商奧迪、寶馬等汽車公司、火山通信技術(shù)公司以及半導(dǎo)體生產(chǎn)商摩托羅拉(Motorola)公司共同創(chuàng)建了LIN協(xié)會，其目的是為汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供一個開放的A類（低速率、低成本）串行總線通信標準。由于LIN總線性價比極高，非常適合用于車燈、車門、座位等對通信要求不高，對成本敏感的部件。
目前，高級汽車一般采用分級網(wǎng)絡(luò)控制，對發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等重要，且對通信性能要求高的部件采用CAN總線控制；對車身，如車燈、車門等對通信性能要求不高，而對成本敏感的部件采用LIN總線控制，CAN總線與LIN總線間通過CAN/LIN網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以實現(xiàn)CAN設(shè)備與LIN設(shè)備的相互訪問。這種分級網(wǎng)絡(luò)控制模式也適用于工業(yè)控制、安全防護等領(lǐng)域。本文討論一種基于實時操作系統(tǒng)Salvo的通用CAN/LIN網(wǎng)關(guān)。
2  網(wǎng)關(guān)模型
網(wǎng)關(guān)是連接兩個通信協(xié)議和結(jié)構(gòu)不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。對于CAN/LIN網(wǎng)關(guān)，它的工作就是對信息拆除封裝和重新封裝，以使它們能被CAN總線和LIN總線上的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點讀取，即實現(xiàn)CAN總線和LIN總線之間協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）的轉(zhuǎn)換。CAN/LIN網(wǎng)關(guān)的模型如圖1所示。
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依照國際標準化組織制定的開放系統(tǒng)互連參考模型OSI/RM，CAN總線和LIN總線都包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。應(yīng)用層由各種應(yīng)用系統(tǒng)各自定義，其中CAN總線已有一些應(yīng)用較廣的高層協(xié)議，如CANOpen、NetDevice等。CAN/LIN網(wǎng)關(guān)的分層結(jié)構(gòu)如圖2所示。
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3  網(wǎng)關(guān)硬件
CAN總線和LIN總線協(xié)議數(shù)據(jù)單元的數(shù)據(jù)量小，系統(tǒng)采用高速8位微處理器――Microchip新型增強FLASH單片機PIC18F4680。PIC18F4680片內(nèi)集成64KB FLASHROM作為程序存儲器、3KB RAM作為數(shù)據(jù)存儲器，能滿足處理CAN總線和LIN總線協(xié)議數(shù)據(jù)單元轉(zhuǎn)換所需的程序代碼和數(shù)據(jù)存儲的需求；PIC18F4680片內(nèi)集成1KB EEPROM可用于存放系統(tǒng)狀態(tài)信息，即使掉電重啟也能恢復(fù)到掉電前狀態(tài)。另外，PIC18F4680片內(nèi)集成支持CAN2.0B的CAN控制模塊，CAN數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議可由CAN控制模塊執(zhí)行，從而減輕MCU處理CAN協(xié)議的數(shù)據(jù)處理壓力；PIC18F4680還集成可支持LIN1.3的USART，進一步減輕MCU處理LIN協(xié)議的數(shù)據(jù)處理壓力。
     為增強CAN總線的抗干擾能力，CAN總線驅(qū)動器MCP2551與PIC18F4680間采用高速光偶6N137隔離，并且獨立供電，PIC18F4680采用LIN總線驅(qū)動器MCP201的電源模塊供電；MCP2551采用專用DC/DC變換器供電。
實時多任務(wù)系統(tǒng)對于相同優(yōu)先級任務(wù)采用以時隙為單位的時間片循環(huán)方式（round-robin）切換。為提高時隙精度，從而提高切換時間精度，PIC18F4680的定時計數(shù)器1（TMR1）外接標準時鐘晶振32768Hz。系統(tǒng)時基由TMR1通過標準時鐘晶振振蕩產(chǎn)生。網(wǎng)關(guān)硬件電路如圖3所示。
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4  網(wǎng)關(guān)軟件
CAN總線與LIN總線比較相似，協(xié)議數(shù)據(jù)單元比較接近，網(wǎng)關(guān)軟件數(shù)據(jù)處理量不大；而且，網(wǎng)關(guān)軟件本身功能相對單一，一般不需要操作系統(tǒng)支持。但本文討論的是一個通用網(wǎng)關(guān)，針對不同場合系統(tǒng)功能需要適當?shù)牟眉艉蛿U充，有操作系統(tǒng)的支持更便于系統(tǒng)功能的裁剪和擴充，提高系統(tǒng)的可移植性，增加系統(tǒng)通用性。另外，有操作系統(tǒng)的支持系統(tǒng)開發(fā)時間大大縮短，而且可靠性也大大提高。
4.1  實時操作系統(tǒng)Salvo
系統(tǒng)軟件開發(fā)采用實時操作系統(tǒng)RTOS會占用部分系統(tǒng)硬件資源，目前大多數(shù)RTOS 適用于ARM 或X86 等可配備豐富硬件資源的微處理器系統(tǒng)。實時操作系統(tǒng)Salvo 占用系統(tǒng)硬件資源少，且功能強大，適合硬件資源相對貧乏的單片機，尤其是存儲器資源貧乏的PIC 系列單片機。Salvo 占用程序存儲器容量取決于用戶調(diào)用的系統(tǒng)函數(shù)，一般典型系統(tǒng)占用1～2K 程序存儲器。占用數(shù)據(jù)存儲器容量取決于用戶定義的變量、任務(wù)和事件的數(shù)量，以PIC16 系列單片機為例，每個全局變量占10b，任務(wù)占5b，事件占3b，一般典型系統(tǒng)占用50～100b 數(shù)據(jù)存儲器。
Salvo 是一個基于優(yōu)先級任務(wù)切換，支持事件驅(qū)動的多任務(wù)實時操作系統(tǒng)。Salvo 共支持16 個任務(wù)優(yōu)先級，且多個任務(wù)可以共用一個優(yōu)先級，任務(wù)按優(yōu)先級高低切換，對于多個同一優(yōu)先級的任務(wù)，以時間片循環(huán)方式切換。Salvo 支持任務(wù)和事件的數(shù)量不限，取決于RAM 的大小。
4.2  任務(wù)分割及功能確定
基于RTOS 的軟件開發(fā)主要工作是任務(wù)分割、任務(wù)功能確定和任務(wù)代碼編寫。任務(wù)分割的基本原則是任務(wù)內(nèi)的內(nèi)聚度強而任務(wù)間的偶合性弱。為減少Salvo在任務(wù)切換時占用過多的系統(tǒng)資源，任務(wù)分割盡量減少任務(wù)數(shù)，系統(tǒng)分割成5個任務(wù)（參見圖4）：
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CAN_TXD任務(wù)：由ENCANTXD信號觸發(fā)，將經(jīng)PDU_Conversion任務(wù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送到CAN模塊的發(fā)送緩沖寄存器，并啟動CAN發(fā)送器發(fā)送數(shù)據(jù)。
CAN_RXD任務(wù)：由ISR_CANRXD中斷服務(wù)程序發(fā)送ENCANRXD事件觸發(fā)，接收CAN模塊接收緩沖器的數(shù)據(jù)，發(fā)送CANTOLIN信號觸發(fā)PDU_Conversion任務(wù)。
LIN_RXD任務(wù)：由ISR_LINRXD中斷服務(wù)程序發(fā)送ENLINRXD事件觸發(fā)，接收USART模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)。根據(jù)LIN協(xié)議分析標識場確定報文的內(nèi)容和長度，分析校驗和場確定報文的正確性，發(fā)送LINTOCAN信號觸發(fā)PDU_Conversion任務(wù)。
LIN¬_TXD任務(wù)：由ENLINTXD信號觸發(fā)，將經(jīng)PDU_Conversion任務(wù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送到USART模塊，并控制USART模塊安LIN協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)。
PDU_Conversion任務(wù)：由LINTOCAN或CANTOLIN信號觸發(fā)，將服務(wù)數(shù)據(jù)單元SDU轉(zhuǎn)換成CAN協(xié)議數(shù)據(jù)單元或LIN協(xié)議數(shù)據(jù)單元，并通過ENCANTXD信號或ENNLINTXD信號觸發(fā)CAN_TXD任務(wù)或LIN_TXD任務(wù)向CAN總線或LIN總線發(fā)送數(shù)據(jù)。
4.3  任務(wù)間通信及任務(wù)優(yōu)先級
現(xiàn)場總線一般對實時性要求較高，為提高系統(tǒng)的實時性，減少數(shù)據(jù)在網(wǎng)關(guān)的延時，系統(tǒng)采用中斷方式接收CAN總線和LIN總線的數(shù)據(jù)。若CAN總線上有節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)的CAN模塊接收器接收數(shù)據(jù)，存于信息集中緩沖器MAB，同時根據(jù)接收屏蔽器信息，比較接收過濾器與接收信息標示區(qū)是否相符，若相符將信息集中緩沖器信息裝入接收緩沖器（RXB0或RXB1，PIC18F4680的CAN模塊有兩個接收緩沖器），并通過中斷標志寄存器PIR3的RXB0IF或RXB1IF（CAN模塊接收緩沖器中斷標志位）申請中斷，CPU進入ISR_CANRXD中斷服務(wù)程序，在ISR_CANRXD中發(fā)送ENCANRXD事件觸發(fā)CAN_RXD任務(wù)啟動。CAN_RXD任務(wù)讀取接收緩沖器中SDU數(shù)據(jù)，存入一個CANSDU全局數(shù)組，并發(fā)送CANTOLIN信號觸發(fā)PDU_Conversion任務(wù)啟動。PDU_Conversion任務(wù)接收全局數(shù)組CANSDU數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成LIN總線的協(xié)議數(shù)據(jù)單元，存于LINPDU全局數(shù)組，并發(fā)送ENLINTXD信號觸發(fā)LIN_TXD任務(wù)啟動。LIN_TXD任務(wù)接收全局數(shù)組LINPDU數(shù)據(jù)，控制USART模塊按LIN總線協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)。以上是CAN/LIN網(wǎng)關(guān)從CAN總線接收數(shù)據(jù)發(fā)送到LIN總線的各任務(wù)同步及通信過程，CAN/LIN網(wǎng)關(guān)從LIN總線接收數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線的各任務(wù)同步及通信過程基本與其相似。
各任務(wù)和中斷服務(wù)程序優(yōu)先級的設(shè)置對系統(tǒng)完成正常功能影響較大。為防止CAN總線和LIN總線上數(shù)據(jù)丟失，接收任務(wù)（CAN_RXD任務(wù)和LIN_RXD任務(wù)）優(yōu)先級高于發(fā)送任務(wù)優(yōu)先級（CAN_TXD任務(wù)和LIN_TXD任務(wù)）。為防止大量數(shù)據(jù)在網(wǎng)關(guān)中來不及轉(zhuǎn)換或發(fā)送而丟失，系統(tǒng)開辟了多個接收緩沖器（CANSDU和LINSDU數(shù)組）和發(fā)送緩沖器（LINPDU和CANPDU數(shù)組）。PIC18F4680的CAN模塊是獨立的硬件電路，可以不依賴于CPU獨立工作，且內(nèi)有3個接收緩沖器（包括MAB）和3個發(fā)送緩沖器，而LIN協(xié)議的數(shù)據(jù)處理由CPU的程序控制USART完成，為防止LIN總線數(shù)據(jù)丟失，LIN總線任務(wù)（LIN_RXD任務(wù)和LIN_TXD任務(wù)）優(yōu)先級高于CAN總線任務(wù)（CAN_RXD任務(wù)和CAN_TXD任務(wù)）。系統(tǒng)各任務(wù)和中斷服務(wù)程序的優(yōu)先級參見表1。
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5  結(jié)論
基于CAN/LIN總線的分級網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)正逐漸從汽車電子領(lǐng)域推廣到其它，如：工業(yè)測控、安全防護等鄰域中應(yīng)用，在基于CAN/LIN總線的分級網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中CAN/LIN網(wǎng)關(guān)是一個核心部件，它為CAN總線設(shè)備和LIN總線設(shè)備的互訪提供連接橋梁。本文討論的基于Salvo的通用CAN/LIN網(wǎng)關(guān)采用新型集成CAN2.0B模塊和可支持LIN1.3的USART模塊的PIC18F4680微處理器，軟件設(shè)計采用商用RTOS――Salvo，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，增加了系統(tǒng)的可移植性和可擴展性，通過系統(tǒng)功能的裁剪和擴充可應(yīng)用于各種分級網(wǎng)絡(luò)控制領(lǐng)域，是一種通用性很強的CAN/LIN網(wǎng)關(guān)。
本文作者創(chuàng)新點：采用RTOS――Salvo設(shè)計一個通用CAN/LIN網(wǎng)關(guān)，傳統(tǒng)的CAN/LIN網(wǎng)關(guān)主要專用于汽車電子通用性不強，采用RTOS設(shè)計的網(wǎng)關(guān)功能裁剪和擴充方便，可移植性和通用性大大增強。