1 引言
隨著汽車電子技術的不斷發(fā)展，車上的電子裝置越來越多，并與傳感器和執(zhí)行器一起共同組成了許多復雜的電子控制系統(tǒng)。結果連接這些電子裝置的電子線路迅速膨脹，布線變得越來越困難，導致了車身重量明顯增加，車輛運行的可靠性降低。傳統(tǒng)點對點的連接方式已經無法滿足現代汽車電子技術發(fā)展的要求，多路傳輸的車載網絡技術成為解決這些問題的必然選擇。德國BOSCH 公司[1]推出的控制局域網CAN(Controller Area Network)依靠其穩(wěn)定的性能、低廉的價格和很高的可靠性和實時性，現在已經被廣泛地應用于汽車內部網絡。CAN總線的采用使汽車內部的信息數據共享成為現實。然而，現在信息數據的共享不僅僅局限于汽車內部，許多數據信息需要與外界進行交換。這些信息主要用于汽車導航、汽車GPS 定位、汽車防盜、汽車遠程監(jiān)控、汽車遠程調度和收費等方面。由于汽車可移動性的特點，很多與外界交互的信息需要通過無線傳輸，所以我們選擇具有覆蓋面廣、接入速度快、按流量計費等優(yōu)點的通用分組無線業(yè)務GPRS(General Packet Radio Service)來承載無線數據通信。GPRS 是在GSM 基礎上發(fā)展起來的一種無線分組交換技術[2]，被稱為2.5G，最高帶寬可達171.2Kb/s，可較好的滿足無線通信的要求。
2 總體網絡拓撲
總體網絡拓撲如圖 1 所示，汽車內部的電子控制單元都掛接到CAN 網上，汽車的內部數據信息通過CAN 總線進行傳遞，而需要與外界交互的數據則通過CAN/GPRS 無線車載網關進行收發(fā)。
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數據經過基站收發(fā)信機 BTS(Base Transceiver Station)、基站控制器BSC(Base Station Controller)和GPRS 服務支持節(jié)點SGSN(Serving GPRS Support Node)進入GPRS 骨干網；然后再通過GPRS 網關支持節(jié)點GGSN(Gateway GPRS Support Node)，進入Internet 互聯網；并可以通過TCP 或UDP 協(xié)議把數據傳送到Internet 遠程服務器。
3 CAN/GPRS 無線車載網關硬件實現
因為整個汽車內部CAN網與外界交互的數據都需要通過CAN/GPRS無線車載網關進行收發(fā)，所以網關需要配備一個性能較高的微處理器。我們選擇具有較高性價比的一款三星公司的32 位ARM9 微處理器S3C2410X 來作為網關的主控制器。S3C2410X 包含ARM920T核，最高處理速度為203MHz[6]，豐富的外圍設備包括3 通道的UART、4 通道的DMA、2個SPI 接口、117 個通用I/O 口和24 個外部中斷源等。采用一片三星的K9F1208 NAND Flash芯片(64M *8Bit)來儲存網關軟件系統(tǒng)的Bootloader，Linux 內核，根文件系統(tǒng)和網關程序。由兩片HYNIX 的HY57V561620 DRAM 芯片(4Banks*4M*16Bit)構成64M 的SDRAM，用于加載Linux 操作系統(tǒng)和運行程序。采用12MHz 的有源晶振。設計了一個20 針JTAG 接口，用來燒寫B(tài)ootloader。使用1 片MAX3232 構成UART 調試接口。因為整個系統(tǒng)的輸入電壓為5V，所以需使用AMS1117-3.3 和AMS1117-1.8 分別得到穩(wěn)定的3.3V 和1.8V 電壓。
CAN 控制器選擇Microchip 的MCP2510，CAN 收發(fā)器選擇Philips 的TJA1050 以組成網關的CAN 通信模塊。MCP2510 支持CAN 總線V2.0A 和V2.0B 技術規(guī)范，通信數率可達1Mb/s，擁有3 個發(fā)送緩沖器、2 個接收緩沖器，高速SPI 接口支持0,0 和1,1SPI 模式。TJA1050具有對總線差分信號的收發(fā)功能和抗汽車環(huán)境下的瞬間干擾等能力。網關的GPRS 接口采用SIMCOM 公司的SIM300 GSM/GPRS 模塊，該模塊可為GSM 語音、短消息和GPRS 上網等業(yè)務提供無線接口。采用6 腳SIM 卡座來連接SIM 卡。網關的硬件結構如圖2 所示。
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在實際硬件連接時，S3C2410 的SPI 接口與MCP2510 的SPI 接口直接相連。MCP2510的TXCAN、RXCAN 引腳分別與TJA1050 的TXD、RXD 引腳相連，而TJA1050 的CANH和CANL 引腳分別接到CAN 總線的CANH 線和CANL 線上。因為S3C2410 的UART 口并沒有引出DCD、 DTR、DSR 和RI 信號引腳，要通過SIM300 無線聯網，最好使用全部的信號引腳，所以我們使用PHILIPS 的SC16C550 從S3C2410 上擴展出標準的UART 接口與
SIM300 的UART 接口進行連接。CAN/GPRS 網關主要通信模塊的硬件電路原理圖如圖3 所示。
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4 CAN/GPRS 無線車載網關軟件實現
4.1 ARM-Linux 操作系統(tǒng)移植.
使用韓國 MIZI 公司開發(fā)的VIVI 作為bootloader、選擇2.6 內核的ARM-Linux 作為嵌入式操作系統(tǒng)，并用busybox 制作Linux 的根文件系統(tǒng)。在K9F1208 NAND Flash 芯片上存儲區(qū)域的劃分如表1 所示。
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4.2 ARM-Linux 下SPI 驅動程序編寫
使用 S3C2410 自帶的SPI 通道0 與MCP2510 進行通信，其SPI 驅動程序流程[3]如下：
(1)寫SPPRE0 寄存器，設置波特率。
(2)寫SPCON0 寄存器，設置數據傳輸為0,0SPI 模式。
(3)向SPIDAT0 寄存器寫10 次0xFF，以初始化MCP2510。
(4)設置GPIO 引腳，用來充當片選，設定低電平以激活MCP2510。
(5)檢查SPSTA0 寄存器的發(fā)送狀態(tài)位REDY 是否為1，若是，則可以向SPTDAT0 寄存器寫數據并發(fā)送出去。
(6)SPCON0 寄存器的TAGD 不使能，向SPTDAT0 寄存器寫入0xFF，在確認REDY 有效后，可從SPRDAT0 寄存器中讀數據；TAGD 使能，確認REDY 后，也可從SPRDAT0 寄存器中讀數據。
(7)設置GPIO 引腳，信號設為高電平，片選不使能。
4.3 ARM-Linux 下CAN 驅動程序編寫
因為 CAN 應用層協(xié)議是基于CAN2.0B 技術規(guī)范設計的，所以通信報文采用CAN2.0B擴展幀格式。
初始化：(1)發(fā)送0xc0 復位指令，MCP2510 復位；(2)進入配置模式，設置CAN 總線波特率，關中斷；(3) 設置屏蔽寄存器RXM(0、1)SID(L/H)、RXM(0、1)EID(8/0)和濾波寄存器RXF(0～5)SID(L/H)、RXF(0、1)EID(8/0)并啟動；(4)設置CAN 設備為普通模式并切換到正常模式；(5)清空接收和發(fā)送緩沖區(qū)。(6)開啟接收或發(fā)送緩沖區(qū)，開啟中斷。發(fā)送報文：(1)寫標識符寄存器TXB(0～2)SID(L/H)、TXB(0～2)EID(8/0)；(2)向發(fā)送緩沖器數據長度寄存器TXB(0～2)DLC 寫入要發(fā)送的報文長度；(3) 寫數據時，需依次向MCP2510 發(fā)送0x02 寫指令、發(fā)送緩沖器數據寄存器TXB(0～2)DM 的8 位地址碼和需要發(fā)送的報文數據；（4）必須進行發(fā)送有效性檢測，即：檢測發(fā)送緩沖器控制寄存器TXB(0～2)CTRL 的TXREQ 位。為1 時，說明正在發(fā)送報文，須等待；當此報文發(fā)送完畢后，該位將被自動清零，這時才可寫入下一個將要發(fā)送的報文數據。接收報文：(1) 向MCP2510 發(fā)送0xA0 狀態(tài)讀指令，并不斷檢測中斷標志寄存器CANINTF，當發(fā)現RX(0、1)IF 位為1，說明接收緩沖器已收到報文；(2)這時可從接收緩沖器標識符寄存器中讀出幀的ID，從接收緩沖器數據長度寄存器RX(0、1)BDLC 讀出收到的報文長度；(3)讀數據時，需依次向MCP2510 發(fā)送0x03 讀指令、接收緩沖器數據寄存器RXB(0、1)DM 的8 位地址碼后MCP2510 才會將數據通過SO 引腳發(fā)送出來。讀完數據，RX(0、1)IF 位需清零。
4.4 ARM-Linux 下串口驅動程序修改及加載
因為我們使用的是與 16c550 寄存器兼容的UART 控制器芯片SC16C550，所以需要加載其在Linux 下的驅動程序serial_8250.c。但SC16C550 芯片是通過外部總線和S3C2410 微處理器連接的，所以在驅動程序的serial8250_isa_init_ports 函數中需加入對SC16C550 芯片所在Bank 空間的初始化，包括設置讀/寫時序、速度和總線寬度等信息[4]。
4.5 ARM-Linux 下GPRS 聯網
GPRS 通過PPP(Point-to-Point Protocol，點對點協(xié)議)來完成聯網。PPP 是在直接連接的串行鏈路上創(chuàng)建和運行IP 網際協(xié)議或其他網絡協(xié)議的一個方案。在ARM-Linux 下對PPP的支持需要內核和應用程序配合管理。對于Linux2.6 內核，在配置內核時需要選擇對PPP的支持，如：在Network device support 菜單下，選擇支持PPP 協(xié)議、PPP 異步/同步串口通信和PPP 壓縮。此外，還需要移植Linux 下PPP 的應用程序工具包，即把交叉編譯后得到的pppd、chat 程序加入根文件系統(tǒng)。在根文件系統(tǒng)的/etc/ppp 目錄下，還需編寫3 個腳本文件：options(pppd 配置腳本)、gprs-connect(pppd 連接腳本)、gprs-disconnect(pppd 斷開腳本)。在options 腳本中需指定串口控制臺設備/dev/ttse/0、連接波特率115200、連接和斷開腳本的存放路徑； 在gprs-connect 腳本中運行chat 程序， 并指定APN 接入點， 如：'AT+CGDCONT=1,"IP","CMNET","",0,0'和ISP 呼叫號碼：'ATD*99***1#'等。這樣系統(tǒng)啟動
后，直接使用pppd &命令即可實現GPRS 無線接入互聯網。
4.6 CAN 應用層協(xié)議與UDP 或TCP 協(xié)議轉換
因為 GPRS 網絡是建立在TCP/IP 協(xié)議基礎上的，所以通過GPRS 網絡與Internet 遠程服務器通信可以使用UDP 或TCP 協(xié)議。由于S3C2410 上不僅移植了Arm-Linux 操作系統(tǒng)，其本身已支持TCP/IP 協(xié)議，而且我們也把CAN 的應用層協(xié)議加載了上去。所以在網關上無線發(fā)送數據時，只需將汽車CAN 網上的CAN 數據包數據域中的數據加上UDP 或TCP包頭即可發(fā)送出去；當在網關上無線接收數據時，只需去掉UDP 或TCP 數據包的包頭，得
到的數據可以遵照CAN 應用層協(xié)議的報文格式向CAN 網上發(fā)送。協(xié)議轉換如圖4 所示。
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4.7 心跳程序的實現
因為 CAN/GPRS 無線網關與Internet 遠程服務器通信時，可能會出現連接的異常情況，所以需要使用心跳程序來檢測異常情況的發(fā)生，并通過心跳程序重新撥號來保證無線通信鏈路的正常連接[5]。我們可以定時Ping 遠程服務器，若能Ping 通，則表示無線通信鏈路工作正常；若多次無法Ping 通，則必須斷開連接，重新撥號。
5 結論
本文詳細介紹了 CAN/GPRS 無線車載網關的實現，所實現的網關在實驗通信網絡中能較好地完成汽車內部CAN 網數據信息與外界的交互任務，并能長時間穩(wěn)定運行，基本上達到了工作要求。
本文作者創(chuàng)新點：在CAN/GPRS 無線車載網關上能成功地運行ARM-Linux 嵌入式操作系統(tǒng)、心跳程序和底層硬件驅動程序，完成了CAN 應用層協(xié)議與TCP 或UDP 協(xié)議的轉換，使得汽車內部CAN 網能與外界進行無線數據通信。
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