基于Infineon單片機的CAN網(wǎng)關研究
在歐洲乃至世界上的很多汽車廠家，大部分的車內(nèi)電子控制單元大量使用原德國西門子半導體部門英飛凌科技(Infineon Technologies)的微控制器,特別是C166系列MCU,其優(yōu)良特性得到各大汽車廠家的公認[1]。Infineon XC2000系列MCU是英飛凌新推出的具有32位處理器性能的16位MCU。XC2000家族又下分3個系列：XC2200、XC2300和XC2700。XC2200主要針對車身網(wǎng)關的應用；XC2300主要針對汽車安全性能的應用；XC2700則主要針對傳動系統(tǒng)的應用。XC2000系列相對XC166系列,其內(nèi)部的Flash和SRAM更大、主頻更快、外設（如CAN節(jié)點）更多。其中，片內(nèi)Flash最大為768 KB，片內(nèi)SRAM最大為82 KB，主頻最高為80 MHz。
本網(wǎng)關采用Infineon公司生產(chǎn)的XC2200單片機，利用該單片機MultiCAN模塊的網(wǎng)關(Gateway)功能實現(xiàn)CAN網(wǎng)關[2]。
1 CAN總線協(xié)議
CAN總線是一種多主總線,支持分布式實時控制的串行數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡,可以有效地構成分布式實時監(jiān)測控制系統(tǒng)。CAN提供高達1 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，這使實時控制變得非常容易。另外，硬件的錯誤檢定特性增強了CAN的抗電磁干擾能力。CAN 協(xié)議支持4種不同的幀類型:數(shù)據(jù)幀、遠程幀、出錯幀、超載幀。
在各種幀類型中，最常用的是數(shù)據(jù)幀。CAN標準幀類型的數(shù)據(jù)幀如圖1所示,這也是CiA推薦的CANopen數(shù)據(jù)幀格式。
2 CAN總線通信硬件實現(xiàn)
通常，1個完整的CAN節(jié)點應該包括以下3個部分：微控制器(MCU)、CAN控制器、CAN收發(fā)器。在本系統(tǒng)中，由于XC2200單片機內(nèi)部集成了CAN控制器，因此在外圍電路設計上只需考慮CAN收發(fā)器[3]。
本系統(tǒng)CAN收發(fā)器采用PCA82C250，PCA82C250與CAN總線的接口部分采用了安全和抗干擾措施。CANH和CANL與地之間并聯(lián)了2個30 pF的小電容,可以濾除總線的高頻干擾。另外,在2根CAN總線接入端與地之間分別反接1個保護二極管,當CAN總線有較高的負電壓時,通過二極管的短路可起到一定的過壓保護作用。PCA82C250的Rs腳上接有1個斜率電阻,電阻大小可根據(jù)總線通信速度適當調整,一般在16～140 kΩ之間。
用光電隔離芯片6N137將CAN控制器和收發(fā)器PCA82C250隔離, 以便有效地增加通信距離和抗干擾能力。CAN 總線物理層接口電路如圖2所示，隔離器把單片機的TXD、RXD與PCA82C250的TXD、RXD分別連接，然后把PCA82C250的CANH和CANL腳分別接到CAN 總線的CANH和CANL上。
3 MultiCAN模塊及網(wǎng)關功能實現(xiàn)
3.1 MultiCAN模塊[4]
本方案采用XC2267單片機，該單片機MultiCAN模塊擁有5個CAN節(jié)點和128個信息對象。本方案只使用其中4個CAN節(jié)點,每個節(jié)點都連接獨立的CAN收發(fā)器，構成CAN通道。在MultiCAN模塊中，每個CAN節(jié)點可以被獨立地配置,且每個節(jié)點所在的CAN總線波特率可以不同。
利用該模塊的Gateway模式可方便地實現(xiàn)CAN網(wǎng)關功能，完成不同CAN總線上的數(shù)據(jù)交換[5]。這個過程無需CPU參與，有效減輕了CPU負荷，而使硬件承接了更多的工作量，改進了CAN網(wǎng)關設備的實時性能。
網(wǎng)關模式以信息對象為基礎，在該模式下，數(shù)據(jù)在2個信息對象之間傳遞，從而實現(xiàn)信息對象所隸屬的CAN節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交換。利用信息對象之間的交換機制可以在任意2個CAN節(jié)點之間建立起網(wǎng)關,通常需要指明信息對象的具體傳輸方向（接收或發(fā)送）。
該單片機MultiCAN模塊擁有多達128個信息對象,所有的CAN節(jié)點共享有這些信息對象，每個對象都可獨立地分配給MultiCAN模塊內(nèi)任1個CAN節(jié)點。每個CAN節(jié)點都有1個相應的雙向信息對象列表，通過這個列表來管理該節(jié)點的信息對象，每個CAN節(jié)點只能把CAN信息儲存在位于自身列表中的信息對象中。
3.2 CAN網(wǎng)關軟件設計
3.2.1 PC端網(wǎng)關配置軟件
利用MFC編寫PC端網(wǎng)關配置軟件。PC機通過異步串行通信接口連接到網(wǎng)關設備，對其進行配置，配置即時生效。其配置界面如圖3所示。
Visual C++提供了一種好用的ActiveX控件MSComm(Microsoft Communications Control)來支持應用程序對串口的訪問，在應用程序中插入MSComm控件后,可以方便地通過PC機串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)。
在PC端網(wǎng)關配置軟件里配置串口、網(wǎng)關通道使能、網(wǎng)關路由、驗收過濾器等內(nèi)容，然后點擊“下載到網(wǎng)關設備”按鈕，完成配置工作。
3.2.2 MultiCAN模塊初始化
在網(wǎng)關設備接收到來自串口的配置數(shù)據(jù)后，解析該配置數(shù)據(jù)，隨后啟動單片機MultiCAN模塊初始化，主要包括CAN節(jié)點初始化和信息對象初始化。
CAN節(jié)點初始化的主要任務有:將單片機對應引腳定義為CAN輸入/輸出引腳、定義通信波特率，根據(jù)接收到的配置信息在信息對象列表內(nèi)增加信息對象。
信息對象初始化的主要任務有：配置信息對象屬性、ID、幀類型、優(yōu)先級、定義數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)傳輸方向，同時需要配置屏蔽寄存器,以決定信息對象的濾波方案。
在初始化時，需要注意對節(jié)點控制寄存器NCR的CCE和INIT位域的置位和復位設置，以及信息對象控制寄存器MOCTRn的MSGVAL位域的置位和復位設置。
3.3 網(wǎng)關數(shù)據(jù)交換過程
接收數(shù)據(jù)幀的網(wǎng)關方稱為“源”，通過網(wǎng)關發(fā)送數(shù)據(jù)幀的網(wǎng)關方，稱為“目標”。網(wǎng)關數(shù)據(jù)交換過程如圖4所示。
首先經(jīng)過接收過濾后，目標信息對象由源信息對象MOFGPRn寄存器內(nèi)CUR位域尋址。源信息對象MOFCRn寄存器的位域IDC、DLCC、DATC分別控制是否復制所接收數(shù)據(jù)幀的ID、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)字節(jié)到目標信息對象中，位域GDFS決定在完成數(shù)據(jù)復制過程之后，是否置位目標信息對象的發(fā)送請求標志。到達源節(jié)點的匹配數(shù)據(jù)幀，被自動復制到目標信息對象中。在復制數(shù)據(jù)幀之后，目標信息對象的TXRQ、NEWDAT、RXPND被置位，網(wǎng)關源方接收的數(shù)據(jù)幀自動在目標方上發(fā)送，完成網(wǎng)關數(shù)據(jù)交換過程。
3.4 CAN網(wǎng)關功能測試
德國IXXAT公司的USB-to-CAN compact是一種經(jīng)濟型智能接口，是標準的USB-CAN接口板卡。配合CanAnalyser分析軟件便成為一種高效、便捷、靈活的CAN應用領域分析和開發(fā)工具。
本CAN網(wǎng)關設備應用基于CANopen協(xié)議的某監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)測試，該網(wǎng)關設備可及時轉發(fā)CANopen協(xié)議的SDO、PDO、NMT、Heartbeat消息等報文，網(wǎng)關通信狀況運行良好,設備符合CAN規(guī)范2.0A(11位CAN標識符)和2.0B（29位CAN標識符），可用于各種不同的高層CAN協(xié)議:CANOpen、SDS、J1939、DeviceNet或其他定制的協(xié)議。
與其他類似網(wǎng)關設計不同[6]，在網(wǎng)關某一通道接收CAN信息之后，并沒有產(chǎn)生MCU中斷，無需MCU做出路由判斷和轉發(fā)處理。整個接收和轉發(fā)過程中，延時較短，提高了網(wǎng)關運行速度和轉發(fā)速率。
本設計采用Infineon XC2000系列單片機，可實現(xiàn)多個CAN網(wǎng)絡的連接。該網(wǎng)關具有4個通信端口，可迅速增加節(jié)點數(shù)目。因此在提供自由的布線方式的同時，也解除了系統(tǒng)總線上CAN收發(fā)器最大節(jié)點數(shù)驅動限制。結合PC端網(wǎng)關配置軟件的使用，可以快速配置相應的CAN路由功能和信息過濾器。每個端口還具備檢測總線活動功能及總線故障指示燈，方便觀察CAN總線網(wǎng)絡工作狀態(tài)。
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