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(jì)80年代初由德國(guó)Bosch公司提出專(zhuān)用于汽車(chē)的串行總線(xiàn)。由于其數(shù)據(jù)傳輸率高，傳輸距離遠(yuǎn)，實(shí)時(shí)性好，可靠性高等眾多優(yōu)點(diǎn)已在汽車(chē)工業(yè)、航空工業(yè)、工業(yè)測(cè)控等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。在某些通信性能要求不高的場(chǎng)合為了降低網(wǎng)絡(luò)控制的成本，1998年由汽車(chē)制造商奧迪、寶馬等汽車(chē)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(huì)，其目的是為汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供一個(gè)開(kāi)放的A類(lèi)（低速率、低成本）串行總線(xiàn)通信標(biāo)準(zhǔn)。由于LIN總線(xiàn)性?xún)r(jià)比極高，非常適合用于車(chē)燈、車(chē)門(mén)、座位等對(duì)通信要求不高，對(duì)成本敏感的部件。
目前，高級(jí)汽車(chē)一般采用分級(jí)網(wǎng)絡(luò)控制，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)等重要，且對(duì)通信性能要求高的部件采用CAN總線(xiàn)控制；對(duì)車(chē)身，如車(chē)燈、車(chē)門(mén)等對(duì)通信性能要求不高，而對(duì)成本敏感的部件采用LIN總線(xiàn)控制，CAN總線(xiàn)與LIN總線(xiàn)間通過(guò)CAN/LIN網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以實(shí)現(xiàn)CAN設(shè)備與LIN設(shè)備的相互訪(fǎng)問(wèn)。這種分級(jí)網(wǎng)絡(luò)控制模式也適用于工業(yè)控制、安全防護(hù)等領(lǐng)域。本文討論一種基于實(shí)時(shí)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(gè)通信協(xié)議和結(jié)構(gòu)不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。對(duì)于CAN/LIN網(wǎng)關(guān)，它的工作就是對(duì)信息拆除封裝和重新封裝，以使它們能被CAN總線(xiàn)和LIN總線(xiàn)上的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)讀取，即實(shí)現(xiàn)CAN總線(xiàn)和LIN總線(xiàn)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型OSI/RM，CAN總線(xiàn)和LIN總線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)和LIN總線(xiàn)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(qiáng)FLASH單片機(jī)PIC18F4680。PIC18F4680片內(nèi)集成64KB FLASHROM作為程序存儲(chǔ)器、3KB RAM作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，能滿(mǎn)足處理CAN總線(xiàn)和LIN總線(xiàn)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(chǔ)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(jìn)一步減輕MCU處理LIN協(xié)議的數(shù)據(jù)處理壓力。
     為增強(qiáng)CAN總線(xiàn)的抗干擾能力，CAN總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器MCP2551與PIC18F4680間采用高速光偶6N137隔離，并且獨(dú)立供電，PIC18F4680采用LIN總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器MCP201的電源模塊供電；MCP2551采用專(zhuān)用DC/DC變換器供電。
實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)對(duì)于相同優(yōu)先級(jí)任務(wù)采用以時(shí)隙為單位的時(shí)間片循環(huán)方式（round-robin）切換。為提高時(shí)隙精度，從而提高切換時(shí)間精度，PIC18F4680的定時(shí)計(jì)數(shù)器1（TMR1）外接標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘晶振32768Hz。系統(tǒng)時(shí)基由TMR1通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)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(xiàn)與LIN總線(xiàn)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(duì)單一，一般不需要操作系統(tǒng)支持。但本文討論的是一個(gè)通用網(wǎng)關(guān)，針對(duì)不同場(chǎng)合系統(tǒng)功能需要適當(dāng)?shù)牟眉艉蛿U(kuò)充，有操作系統(tǒng)的支持更便于系統(tǒng)功能的裁剪和擴(kuò)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(kāi)發(fā)時(shí)間大大縮短，而且可靠性也大大提高。
4.1  實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Salvo
系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS會(huì)占用部分系統(tǒng)硬件資源，目前大多數(shù)RTOS 適用于A(yíng)RM 或X86 等可配備豐富硬件資源的微處理器系統(tǒng)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Salvo 占用系統(tǒng)硬件資源少，且功能強(qiáng)大，適合硬件資源相對(duì)貧乏的單片機(jī)，尤其是存儲(chǔ)器資源貧乏的PIC 系列單片機(jī)。Salvo 占用程序存儲(chǔ)器容量取決于用戶(hù)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(chǔ)器。占用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量取決于用戶(hù)定義的變量、任務(wù)和事件的數(shù)量，以PIC16 系列單片機(jī)為例，每個(gè)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(chǔ)器。
Salvo 是一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)任務(wù)切換，支持事件驅(qū)動(dòng)的多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。Salvo 共支持16 個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)，且多個(gè)任務(wù)可以共用一個(gè)優(yōu)先級(jí)，任務(wù)按優(yōu)先級(jí)高低切換，對(duì)于多個(gè)同一優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，以時(shí)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(kāi)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(xiě)。任務(wù)分割的基本原則是任務(wù)內(nèi)的內(nèi)聚度強(qiáng)而任務(wù)間的偶合性弱。為減少Salvo在任務(wù)切換時(shí)占用過(guò)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(gè)任務(wù)（參見(jiàn)圖4）：
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CAN_TXD任務(wù)：由ENCANTXD信號(hào)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(dòng)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(hào)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(lái)的數(shù)據(jù)。根據(jù)LIN協(xié)議分析標(biāo)識(shí)場(chǎng)確定報(bào)文的內(nèi)容和長(zhǎng)度，分析校驗(yàn)和場(chǎng)確定報(bào)文的正確性，發(fā)送LINTOCAN信號(hào)觸發(fā)PDU_Conversion任務(wù)。
LIN¬_TXD任務(wù)：由ENLINTXD信號(hào)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(hào)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(guò)ENCANTXD信號(hào)或ENNLINTXD信號(hào)觸發(fā)CAN_TXD任務(wù)或LIN_TXD任務(wù)向CAN總線(xiàn)或LIN總線(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)。
4.3  任務(wù)間通信及任務(wù)優(yōu)先級(jí)
現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)一般對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，為提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，減少數(shù)據(jù)在網(wǎng)關(guān)的延時(shí)，系統(tǒng)采用中斷方式接收CAN總線(xiàn)和LIN總線(xiàn)的數(shù)據(jù)。若CAN總線(xiàn)上有節(jié)點(diǎn)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(shí)根據(jù)接收屏蔽器信息，比較接收過(guò)濾器與接收信息標(biāo)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(gè)接收緩沖器），并通過(guò)中斷標(biāo)志寄存器PIR3的RXB0IF或RXB1IF（CAN模塊接收緩沖器中斷標(biāo)志位）申請(qǐng)中斷，CPU進(jìn)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(dòng)。CAN_RXD任務(wù)讀取接收緩沖器中SDU數(shù)據(jù)，存入一個(gè)CANSDU全局?jǐn)?shù)組，并發(fā)送CANTOLIN信號(hào)觸發(fā)PDU_Conversion任務(wù)啟動(dòng)。PDU_Conversion任務(wù)接收全局?jǐn)?shù)組CANSDU數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成LIN總線(xiàn)的協(xié)議數(shù)據(jù)單元，存于LINPDU全局?jǐn)?shù)組，并發(fā)送ENLINTXD信號(hào)觸發(fā)LIN_TXD任務(wù)啟動(dòng)。LIN_TXD任務(wù)接收全局?jǐn)?shù)組LINPDU數(shù)據(jù)，控制USART模塊按LIN總線(xiàn)協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)。以上是CAN/LIN網(wǎng)關(guān)從CAN總線(xiàn)接收數(shù)據(jù)發(fā)送到LIN總線(xiàn)的各任務(wù)同步及通信過(guò)程，CAN/LIN網(wǎng)關(guān)從LIN總線(xiàn)接收數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線(xiàn)的各任務(wù)同步及通信過(guò)程基本與其相似。[!--empirenews.page--]
各任務(wù)和中斷服務(wù)程序優(yōu)先級(jí)的設(shè)置對(duì)系統(tǒng)完成正常功能影響較大。為防止CAN總線(xiàn)和LIN總線(xiàn)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(jí)高于發(fā)送任務(wù)優(yōu)先級(jí)（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(lái)不及轉(zhuǎn)換或發(fā)送而丟失，系統(tǒng)開(kāi)辟了多個(gè)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(dú)立的硬件電路，可以不依賴(lài)于CPU獨(dú)立工作，且內(nèi)有3個(gè)接收緩沖器（包括MAB）和3個(gè)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(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，LIN總線(xiàn)任務(wù)（LIN_RXD任務(wù)和LIN_TXD任務(wù)）優(yōu)先級(jí)高于CAN總線(xiàn)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(jí)參見(jiàn)表1。
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5  結(jié)論
基于CAN/LIN總線(xiàn)的分級(jí)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)正逐漸從汽車(chē)電子領(lǐng)域推廣到其它，如：工業(yè)測(cè)控、安全防護(hù)等鄰域中應(yīng)用，在基于CAN/LIN總線(xiàn)的分級(jí)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中CAN/LIN網(wǎng)關(guān)是一個(gè)核心部件，它為CAN總線(xiàn)設(shè)備和LIN總線(xiàn)設(shè)備的互訪(fǎng)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(jì)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(kuò)展性，通過(guò)系統(tǒng)功能的裁剪和擴(kuò)充可應(yīng)用于各種分級(jí)網(wǎng)絡(luò)控制領(lǐng)域，是一種通用性很強(qiáng)的CAN/LIN網(wǎng)關(guān)。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：采用RTOS――Salvo設(shè)計(jì)一個(gè)通用CAN/LIN網(wǎng)關(guān)，傳統(tǒng)的CAN/LIN網(wǎng)關(guān)主要專(zhuān)用于汽車(chē)電子通用性不強(qiáng)，采用RTOS設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)功能裁剪和擴(kuò)充方便，可移植性和通用性大大增強(qiáng)。