基于ARM處理器的網(wǎng)關(guān)通信模塊研制

摘要：為了滿足機(jī)車車輛上具有CAN接口的設(shè)備方便接入機(jī)車車輛網(wǎng)絡(luò)，采用ARM7內(nèi)核芯片LPC2294，實(shí)現(xiàn)了MVB-CAN雙向網(wǎng)關(guān)通信模塊。給出了ARM處理器LPC2294與CAN總線、MVB通信芯片MVBC02芯片的硬件接口實(shí)現(xiàn)方法，做了相關(guān)可靠性測試和現(xiàn)場裝車考核試驗(yàn)。結(jié)果表明，網(wǎng)關(guān)模塊完全可以滿足設(shè)計(jì)要求，到達(dá)了實(shí)際設(shè)計(jì)效果，設(shè)計(jì)出的網(wǎng)關(guān)模塊具有可靠性高，性價(jià)比高的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：CAN總線；ARM；μC／OS-Ⅱ；MVB總線；TCN

    MVB多功能車輛總線是在國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61375列車通信網(wǎng)絡(luò)(TCN)中被詳細(xì)定義的一種現(xiàn)場總線，按照TCN標(biāo)準(zhǔn)，列車通信網(wǎng)分為兩級，第一級絞線式列車總線實(shí)現(xiàn)車輛間的數(shù)據(jù)通信，第二級多功能車輛總線MVB主實(shí)現(xiàn)同車輛內(nèi)各個(gè)功能控制單元之間的數(shù)據(jù)通信。MVB以其高實(shí)時(shí)性、高可靠性及可管理性等多方面的優(yōu)勢而廣泛應(yīng)用在列車總線控制當(dāng)中。但是由于MVB是專門針對列車通信網(wǎng)絡(luò)而開發(fā)的，其實(shí)用范圍、供貨商、經(jīng)濟(jì)型均不如CAN總線。CAN總線作為現(xiàn)場設(shè)備級的通信總線具有很高的可靠性和性價(jià)比。目前很多機(jī)車車輛的列車通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)都采用MVB總線和CAN總線共同組成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。因此，本文提出了一種基于μC／OS-Ⅱ的ARM7內(nèi)核芯片LPC2294的MVB-CAN雙向通信模塊。

1 MVB多功能車輛總線
    MVB是國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61375-1的車輛總線部分，它主要用于具有互操作性和互換性要求的互聯(lián)設(shè)備之間通信的串行數(shù)據(jù)總線。MVB采用主幀／從幀應(yīng)答方式，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備和介質(zhì)冗余，實(shí)時(shí)性靠RTP實(shí)時(shí)協(xié)議保證。MVB介質(zhì)分為3種：電氣短距離介質(zhì)為RS 485差分傳輸導(dǎo)線對，傳輸距離為20 m；電氣中距離介質(zhì)為雙絞屏蔽線，傳輸距離為200 m；電氣長距離介質(zhì)為光纖，傳輸距離為2 km。
    MVB作為主從方式的串行通訊總線，是可以實(shí)現(xiàn)過程控制優(yōu)化的總線。MVB具有良好的實(shí)時(shí)響應(yīng)，一般用作車輛內(nèi)部設(shè)備之問的數(shù)據(jù)通信，其采用曼徹斯特編碼方式，數(shù)據(jù)傳輸速率為1．5 MHz。MVB多功能車輛總線主要由通信介質(zhì)、MVBC協(xié)議控制器和MVB鏈路軟件3部分構(gòu)成。
    MVB具有2種幀格式，一種是只能由總線主設(shè)備發(fā)送的主設(shè)備幀，簡稱主幀；另一種是為響應(yīng)主幀而由從設(shè)備發(fā)送的從設(shè)備幀，簡稱從幀?？偩€主設(shè)備在每一個(gè)特征周期里通過發(fā)主幀的方式對進(jìn)程數(shù)據(jù)進(jìn)行輪詢，相應(yīng)地從設(shè)備發(fā)送從幀進(jìn)行真正的數(shù)據(jù)傳輸。報(bào)文由主幀和響應(yīng)此主幀而送出的從幀組成。一個(gè)主幀應(yīng)以主起始分界符開始，其后為16 b幀數(shù)據(jù)，接著為8 b校驗(yàn)序列。
    一個(gè)從幀應(yīng)以從起始分界符開始；接著為(16，32，64，128或256)b幀數(shù)據(jù)，在每64個(gè)數(shù)據(jù)位包含一個(gè)8 b的校驗(yàn)序列，當(dāng)幀數(shù)據(jù)只有16 b或32 b時(shí)將一個(gè)8 b的校驗(yàn)序列附加其后。

2 CAN總線
    控制器局域網(wǎng)(Conteoller Area Network，CAN)是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，最早由德國BOSCH公司推出，是一種用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，CAN總線作為一種技術(shù)先進(jìn)，可靠性高，功能完善，成本合理的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信控制技術(shù)，CAN總線已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。它為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各功能節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。其報(bào)文結(jié)構(gòu)可以分為2種不同的幀格式，兩種幀格式的不同之處為標(biāo)識符的長度不同：具有11位標(biāo)識符的幀稱為標(biāo)準(zhǔn)幀，具有29位標(biāo)識符的幀稱為擴(kuò)展幀。本設(shè)計(jì)中主要考慮標(biāo)準(zhǔn)幀的情況。標(biāo)準(zhǔn)幀的報(bào)文由4種不同類型的幀構(gòu)成表示：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、出錯(cuò)幀和超載幀。以數(shù)據(jù)幀為例：數(shù)據(jù)幀由7個(gè)不同部分構(gòu)成：幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC場、應(yīng)答場和幀結(jié)束。

3 通信網(wǎng)關(guān)模塊硬件設(shè)計(jì)
    網(wǎng)關(guān)模塊的硬件框圖如1所示。

    處理器采用基于ARM7的LPC2294。LPC2294是一款基于16 b／32 b ARM7TDMI-S內(nèi)核，內(nèi)帶16 KB RAM和256 KB高速FLASH的微處理器，最
大時(shí)鐘速率60 MHz。內(nèi)帶2路CAN通道，其CAN控制器集成了數(shù)據(jù)鏈路層功能，符合CAN2．0A和CAN2．0B的規(guī)范。
    CAN收發(fā)器采用Philips PCA82C250。主要提供對總線的差分發(fā)送能力和對CAN控制器的差動分接收能力。微處理器對CAN控制器進(jìn)行相應(yīng)配置后，收發(fā)器自動完成相應(yīng)的CAN總線動作。

    MVB通信控制器采用MVBC02專用芯片，它采用16 b數(shù)據(jù)總線，提供了豐富的接口控制信號，簡化了與各種宿主CPU以及通信存儲器的接口設(shè)計(jì)，支持MVB協(xié)議中鏈路層及物理層的功能。MVB物理層接口采用電氣短距離介質(zhì)ESD+接口，系統(tǒng)信號通道使用光耦實(shí)現(xiàn)主系統(tǒng)與外界的電隔離，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。使用RS 485芯片LTC1485I作為收發(fā)器，并使用過壓保護(hù)模塊以防止瞬間過壓對器件造成損壞。MVB物理層接口電路如圖2所示。
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4 軟件實(shí)現(xiàn)方案
    在本設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)MVB總線和CAN總線之間的數(shù)據(jù)交換，它具有MVB檢測和接入功能，以及CAN總線檢測和接入功能，通過處理器控制數(shù)據(jù)幀的解析和重新封裝，實(shí)現(xiàn)符合CAN總線V2．0規(guī)范和MVB標(biāo)準(zhǔn)格式幀的相互轉(zhuǎn)換。因此從CAN側(cè)接收到的數(shù)據(jù)要通過MVB傳輸，就需要按照一定的格式把CAN幀中的數(shù)據(jù)組合成MVB幀的數(shù)據(jù)格式；同樣從MVB側(cè)接收到的數(shù)據(jù)要通過CAN傳輸，也需要按照一定的格式對MVB幀中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分幀處理。另外，為了實(shí)現(xiàn)透明傳輸需要在MVB端口中將各種變量的含義按照一定的規(guī)則和CAN總線側(cè)幀的標(biāo)識符等信息對應(yīng)，從而形成一個(gè)表格，同樣在CAN總線側(cè)也將CAN側(cè)的標(biāo)識符與MVB側(cè)的過程數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集進(jìn)行對應(yīng)形成表格。
    軟件主要由主函數(shù)調(diào)度模塊、MVB控制模塊、CAN控制模塊以及2個(gè)數(shù)據(jù)緩沖組成。當(dāng)CAN應(yīng)用層有數(shù)據(jù)要發(fā)送到MVB網(wǎng)絡(luò)時(shí)，主函數(shù)需調(diào)度模塊得到CAN數(shù)據(jù)傳輸后調(diào)度CAN控制模塊接收數(shù)據(jù)，解碼分析獲取標(biāo)識符，依據(jù)標(biāo)識符查詢索引表找出對應(yīng)MVB端口相關(guān)變量，后將報(bào)文中的相關(guān)數(shù)據(jù)提取出來發(fā)送到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)B。主函數(shù)調(diào)度模塊通知MVB控制模塊從緩沖區(qū)B中提取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行完整的MVB報(bào)文封裝，發(fā)送到MVB總線上，釋放緩沖區(qū)B。反過來，當(dāng)MVB應(yīng)用層有數(shù)據(jù)要發(fā)送到CAN節(jié)點(diǎn)時(shí)，首先，數(shù)據(jù)發(fā)送到MVB上，主函數(shù)調(diào)度模塊檢測MVB上是否有數(shù)據(jù)傳輸，通知MVB控制模塊接受數(shù)據(jù)，并對信息解碼分析，從中獲取端口相關(guān)變量，依據(jù)端口相關(guān)變量查詢索引表找出對應(yīng)CAN標(biāo)識符，同時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)A。此時(shí)，總調(diào)度模塊通知CAN控制模塊從緩沖區(qū)A中提取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行完整的CAN報(bào)文封裝，發(fā)送到CAN總線上，釋放緩沖區(qū)A。CAN控制模塊主要負(fù)責(zé)從CAN數(shù)據(jù)包中解析出完整CAN協(xié)議報(bào)文，存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)B。同時(shí)，將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)A中的CAN數(shù)據(jù)封裝成完整的CAN協(xié)議報(bào)文后發(fā)送到CAN總線上。MVB控制模塊主要負(fù)責(zé)從MVB數(shù)據(jù)包中解析出完整MVB協(xié)議報(bào)文，存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)A。同時(shí)，將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)B中的MVB數(shù)據(jù)封裝成完整的MVB協(xié)議報(bào)文后發(fā)送到MVB上?？傉{(diào)度模塊主要起到綜合調(diào)度和監(jiān)控作用，同時(shí)，它還用于整個(gè)傳輸過程中的中斷響應(yīng)。
    圖3說明了軟件流程框圖。

5 結(jié)語
    本文描述了基于ARM7處理器LPC2294的MVB-CAN通信模塊的實(shí)現(xiàn)方法，概述了MVB網(wǎng)絡(luò)和CAN總線網(wǎng)絡(luò)的報(bào)文結(jié)構(gòu)，提出通信模塊的硬、軟件實(shí)現(xiàn)方法。通過考核該通信模塊實(shí)現(xiàn)了MVB與CAN總線間的數(shù)據(jù)傳遞，其性能穩(wěn)定，可靠性高。各種現(xiàn)場總線都有各自應(yīng)用特點(diǎn)及優(yōu)勢。所以，多類型總線異構(gòu)組網(wǎng)方式在列車通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用越來越廣泛。MVB及CAN總線的異構(gòu)組網(wǎng)方式具有廣闊的市場前景。MVB-CAN通信模塊的設(shè)計(jì)為列車通信網(wǎng)絡(luò)的多元化發(fā)展提供了支持，也為其他網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)組網(wǎng)(例如：RS 485／RS 422-MVB，HDLC-MVB等)方式的網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計(jì)提供了參考。