車載雙路CAN總線冗余網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

盧玉傳，杜志岐，樊江濱，侯學(xué)軼

(中國(guó)北方車輛研究所，北京100072)

隨著電子信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代汽車的功能越來越多，系統(tǒng)也變得越來越復(fù)雜，這些優(yōu)越的功能是通過各種各樣的電子設(shè)備 (各種電子控制盒、測(cè)試診斷、儀表顯示等設(shè)備)來實(shí)現(xiàn)的，許多電子設(shè)備之間通常要通信以便進(jìn)行數(shù)據(jù)的共享和命令的傳達(dá)與接收等，當(dāng)車上的電子設(shè)備變得越來越多的時(shí)候，布線就變得很繁瑣復(fù)雜，可靠性大大降低，成本大幅上升.為了解決汽車的上述問題，實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備間快速的信息交換，增強(qiáng)車身電子系統(tǒng)的可靠性和安全性，車載總線網(wǎng)絡(luò)的概念被提了出來.

在現(xiàn)有的車載網(wǎng)關(guān)中，大部分都是單處理器的網(wǎng)關(guān)，而比較少見的雙處理器網(wǎng)關(guān)[1]也是基于單路CAN總線的，為了進(jìn)一步提高車載網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和可靠性，設(shè)計(jì)中采用了雙處理器雙路CAN總線冗余設(shè)計(jì)方案.

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理框圖

汽車上各種電子設(shè)備對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息傳輸速率要求不一，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器、自動(dòng)變速器控制器、ABS控制器、安全氣囊控制器等對(duì)實(shí)時(shí)性的要求很強(qiáng)，而前后車燈的開關(guān)、車門開閉、車窗升降、座位調(diào)節(jié)等簡(jiǎn)單事件對(duì)實(shí)時(shí)性的要求要寬松得多.汽車動(dòng)力系統(tǒng)中采用的高速CAN總線，其信息傳輸速度設(shè)置為500Kbps，其主要連接對(duì)象是:發(fā)動(dòng)機(jī)、自動(dòng)變速器、ABS/ASR、巡航系統(tǒng)、電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，等等[1].動(dòng)力系統(tǒng)CAN總線的控制對(duì)象都是與汽車行駛控制直接相關(guān)的系統(tǒng)，對(duì)信號(hào)的傳輸要求有很高的實(shí)時(shí)性，它們之間存在著很多的信息交互.車身系統(tǒng)中采用的低速CAN總線，其信息傳輸速率為250Kpbs，主要連接對(duì)象是:前后車燈控制開關(guān)、電動(dòng)車窗升降開關(guān)、中央門鎖與防盜控制開關(guān)、電動(dòng)座椅控制開關(guān)、電動(dòng)后視鏡控制開關(guān)、溫度 (空調(diào))控制開關(guān)、組合開關(guān)及駕駛員操縱信號(hào)采集系統(tǒng)、儀表顯示器，等等[1].車身系統(tǒng)CAN總線的控制對(duì)象主要是低速電機(jī)、電磁閥和開關(guān)器件，它們對(duì)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求不高，但數(shù)量較多，為了保證動(dòng)力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，應(yīng)將這些實(shí)時(shí)性要求低的電控單元與汽車動(dòng)力系統(tǒng)分開.

為了保證該網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的可靠性，防止因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣致使插頭松動(dòng)、傳輸介質(zhì)損壞或CAN總線驅(qū)動(dòng)器損壞而遭致CAN通信的破壞，采用了冗余通信機(jī)制.系統(tǒng)在每個(gè)CAN子網(wǎng)路都使用2套總線 (CAN 1、CAN 2)，每套包含獨(dú)立的總線電纜、總線驅(qū)動(dòng)器和總線控制器，可以實(shí)現(xiàn)物理介質(zhì)、物理層、數(shù)據(jù)鏈路層全面冗余[2].

系統(tǒng)中每個(gè)子網(wǎng)的2套總線采用雙CAN冗余熱備份方式運(yùn)行:在系統(tǒng)正常上電工作以后，一個(gè)CAN控制器作為系統(tǒng)默認(rèn)的CAN(稱之為主CAN 1);另一個(gè)為系統(tǒng)的備用CAN(稱之為從CAN 2)，作為主CAN1的冗余.這樣，每一瞬時(shí)系統(tǒng)中有且僅有一路CAN通道在工作，另一路處于監(jiān)聽狀態(tài) (正常工作時(shí))或故障狀態(tài) (發(fā)生故障時(shí))[2].當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，主CAN 1處于工作狀態(tài).當(dāng)主CAN 1發(fā)生故障時(shí)，切換至從CAN 2，使之處于工作狀態(tài).如上電檢測(cè)到主CAN 1故障，則從CAN2自動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài).這樣在一套總線發(fā)生故障時(shí)，另一套總線自動(dòng)開始工作，保證整個(gè)系統(tǒng)的通信正常進(jìn)行，提高了系統(tǒng)的可靠性.

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理框圖

1.2 硬件實(shí)現(xiàn)

基于對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的分析，按照優(yōu)先選用片上系統(tǒng)SOC的設(shè)計(jì)理念，要求內(nèi)部至少集成了4個(gè)CAN控制器的MCU來作為系統(tǒng)的主控芯片，因此，選用Freescale公司的16位112引腳LQFP封裝的MC9S12XDP512單片機(jī).該單片機(jī)內(nèi)部集成了5個(gè)同時(shí)兼容CAN2.0A/B協(xié)議的CAN控制模塊，同時(shí)還將協(xié)處理器XGATE模塊集成到S12XD系列中，目的是減輕主處理器S12X CPU的工作負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐能力，從而支持雙處理器的嵌入式開發(fā).XGATE基于RISC內(nèi)核，能夠獨(dú)立于主中央處理器單元進(jìn)行編程，可以執(zhí)行獨(dú)立的算法完成運(yùn)算.XGATE能夠輔助支持內(nèi)存RAM與外接設(shè)備之間的高速數(shù)據(jù)傳送，同時(shí)完成指定的數(shù)據(jù)處理，例如通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，等等.這使得XGATE可以作為DMA控制器[3].此外，MC9S12XDP512單片機(jī)內(nèi)部還有32K的RAM、4K的EEPROM、6個(gè)異步串行通信接口SCI、2個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (8通道10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器一個(gè)，16通道10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器一個(gè))、3個(gè)串行外設(shè)接口SPI、1個(gè)IC/OC加強(qiáng)定時(shí)器、1個(gè)8通道脈沖帶寬調(diào)制器、1個(gè)周期中斷定時(shí)器、2個(gè)內(nèi)置總線時(shí)鐘[4].如此豐富的片上資源，方便了硬件的設(shè)計(jì)，也為系統(tǒng)工作的穩(wěn)定可靠提供了硬件保障.

圖2 CAN網(wǎng)關(guān)接口電路原理圖

硬件設(shè)計(jì)中的CAN網(wǎng)關(guān)的電路原理圖如圖2所示.MC9S12XDP512單片機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)CAN控制器的初始化，并控制數(shù)據(jù)的接受、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、地址管理、消息拆裝與重組、發(fā)送，等等.片內(nèi)的CAN控制器0和CAN控制器1分別連接動(dòng)力CAN網(wǎng)絡(luò)的CAN1和CAN2，CAN控制器2和CAN控制器3分別連接車身CAN網(wǎng)絡(luò)的CAN1和CAN2，這樣實(shí)現(xiàn)了CAN網(wǎng)關(guān)的雙路冗余設(shè)計(jì).CAN收發(fā)器選用Philips公司的TJA1050.TJA1050是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，是一種標(biāo)準(zhǔn)的高速CAN收發(fā)器.TJA1050可以為總線提供差動(dòng)發(fā)送性能，為CAN控制器提供差動(dòng)接收性能.TJA1050是PCA82C250和PCA82C251高速CAN收發(fā)器的后繼產(chǎn)品.在電路設(shè)計(jì)中，將TJA1050的第8引腳S接地，使其工作在高速模式，第3引腳VCC接+5V直流電源，為了濾掉電源中的電壓紋波，得到穩(wěn)定的電壓，在此引腳并聯(lián)0.1 μF濾波電容.在TJA1050中涉及到一個(gè)超時(shí)定時(shí)器，用以對(duì)TXD端的低電位 (此時(shí)CAN總線上為顯性位)進(jìn)行監(jiān)視.該功能可以避免由于系統(tǒng)硬件或軟件故障而造成TXD端長(zhǎng)時(shí)間為低電位時(shí)總線上所有其他節(jié)點(diǎn)也將無法進(jìn)行通信的情況出現(xiàn).這也是TJA1050與82C250相比較改進(jìn)較大的地方之一.TXD端信號(hào)的下降沿可啟動(dòng)該定時(shí)器.當(dāng)TXD端低電位持續(xù)的時(shí)間超過了定時(shí)器的內(nèi)部定時(shí)時(shí)間時(shí)，將關(guān)閉發(fā)送器，使CAN總線回到隱性電位狀態(tài).而在TXD端信號(hào)的上升沿定時(shí)器將被復(fù)位，使TJA1050恢復(fù)正常工作[5].為了消除總線阻抗，提高抗干擾能力，總線兩端分別配置120 Ω的匹配電阻.為了提高系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境下的抗干擾能力，在CAN控制器與收發(fā)器之間添加2個(gè)高速光耦6N137，TJA1050的TXD引腳與其中一個(gè)6N137的OUT引腳相連，該光耦的IN引腳與MC9S12XDP512的 CAN控制器 TXCANx相連接(x=0，1，2，3)，TJA1050的RXD與另一個(gè)光耦的IN引腳相連，其OUT引腳連接RXCANx，在2個(gè)光耦的OUT與Vdd引腳間連接390Ω的匹配電阻.

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 雙處理器技術(shù)的網(wǎng)關(guān)軟件實(shí)現(xiàn)

在程序開發(fā)中主處理器S12XCPU和協(xié)處理器XGATE都要使用內(nèi)存RAM，這就涉及到了共享和互斥的問題，所以在使用前，必須先對(duì)RAM進(jìn)行分配和保護(hù).

MC9S12XDP512的主處理器和協(xié)處理器都可以訪問片內(nèi)32K的RAM.通過設(shè)置邊界寄存器的值，可以將其劃分為 XGATE獨(dú)享 RAM、S12X獨(dú)享RAM、XGATE與 S12X共享 RAM和 S12X獨(dú)享RAM 4 部分[3]，如圖3 所示.

圖3 RAM分配區(qū)

其中RAMXGU為XGATE RAM邊界高地址寄存器，RAMSHL為S12X與XGATE共享RAM低地址寄存器，RAMSHU為S12X與XGATE共享RAM高地址寄存器.軟件設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)按照各自的使用特性，分配到不同的RAM塊中.值得注意的是，2個(gè)處理器共享一部分RAM，在訪問時(shí)會(huì)出現(xiàn)臨界區(qū)問題，此時(shí)要借助系統(tǒng)內(nèi)集成的8個(gè)硬件信號(hào)量進(jìn)行互斥管理.

在芯片RAM中開辟2個(gè)緩沖區(qū)，分別作為接收緩沖區(qū)和發(fā)送緩沖區(qū).由于協(xié)處理器和主處理器都需要使用這2個(gè)緩沖區(qū)，所以設(shè)在XGATE與S12X共享的區(qū)域.接收緩沖區(qū)用于存放來自2個(gè)子網(wǎng)的未處理的數(shù)據(jù)，發(fā)送緩沖區(qū)用于存放處理后等待發(fā)送的數(shù)據(jù)[1].其中，接收緩沖區(qū)又進(jìn)一步分為高速緩沖區(qū)和低速緩沖區(qū)，分別用來存儲(chǔ)來自動(dòng)力CAN網(wǎng)絡(luò)和車身CAN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù).系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的流向如圖4所示.數(shù)據(jù)從各個(gè)子網(wǎng)接收后，經(jīng)過過濾，按照源網(wǎng)絡(luò)的信息速率的高低存放到接收緩沖區(qū)的高速區(qū)或低速區(qū).經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換、連接管理等處理后的數(shù)據(jù)存放在發(fā)送緩沖區(qū).數(shù)據(jù)發(fā)送過程按照CAN總線規(guī)范重組數(shù)據(jù)幀格式，將其送到與目的子網(wǎng)連接的CAN節(jié)點(diǎn)緩沖區(qū)以等待發(fā)送.

圖4 系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)流向

為了緩解系統(tǒng)工作時(shí)的數(shù)據(jù)阻塞和延遲問題，采用雙處理器工作方式，啟用MC9S12XDP512芯片中的協(xié)處理器XGATE模塊，在主處理器S12X CPU對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化 (包括對(duì)協(xié)處理器的初始化)后，主處理器與協(xié)處理器并行協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)車載網(wǎng)關(guān)的功能.其中數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送由協(xié)處理器XGATE完成.當(dāng)與子網(wǎng)連接的CAN節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后觸發(fā)接收中斷，由XGATE接管，并且進(jìn)行數(shù)據(jù)過濾等工作.待初步處理結(jié)束后，數(shù)據(jù)按照源網(wǎng)絡(luò)的波特率存放到高速或低速接收緩沖區(qū).當(dāng)主處理器完成數(shù)據(jù)處理以后，主處理器通過軟中斷調(diào)度XGATE進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送的工作.這樣就可以使S12X CPU專心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理工作了，包括協(xié)議轉(zhuǎn)換，連接管理，等等，此過程結(jié)束后觸發(fā)XGATE軟中斷.綜上所述，2個(gè)處理器并行協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)功能.2個(gè)處理器的工作方式是不同的，S12X CPU的工作是主動(dòng)的，一直進(jìn)行的;而XGATE的工作是被動(dòng)的，是由中斷觸發(fā)的[1].

圖5 主處理器工作流程圖

主處理器工作流程如圖5所示，可以分為2個(gè)部分[1]:1)初始化.CAN控制器MSCAN的設(shè)置，是將CAN控制器設(shè)置為接收數(shù)據(jù)后觸發(fā)中斷的方式[4];協(xié)處理器XGATE的相關(guān)寄存器設(shè)置，是設(shè)定XGATE的中斷基地址寄存器XGVBR，這是協(xié)處理器能夠正確響應(yīng)中斷的基礎(chǔ).同時(shí)，通過對(duì)應(yīng)中斷的中斷請(qǐng)求配置數(shù)據(jù)寄存器的RQST位置1和PRIOLVL[2∶0]的選擇，分別將此中斷的處理權(quán)交給協(xié)處理器，并且設(shè)置合適的優(yōu)先級(jí)，最后使協(xié)處理器開始工作.2)數(shù)據(jù)處理.首先分配時(shí)間片循環(huán)查詢高速和低速接收緩沖區(qū)，其次取出數(shù)據(jù)后提取標(biāo)識(shí)符域，作為關(guān)鍵字查路由協(xié)議轉(zhuǎn)換表，最后分析可知該數(shù)據(jù)幀需要簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，還是建立連接，抑或是地址聲明，等等.按照要求進(jìn)行處理后，將其和目的子網(wǎng)編號(hào)一起存放在發(fā)送緩沖區(qū)，然后向協(xié)處理器觸發(fā)相應(yīng)軟中斷，通知協(xié)處理器來發(fā)送數(shù)據(jù).需要說明的是，高速接收緩沖區(qū)需要比低速接收緩沖區(qū)分配更多的時(shí)間，以保證實(shí)時(shí)性.

通過協(xié)處理器XGATE以響應(yīng)中斷的方式，完成2個(gè)CAN子網(wǎng)的數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送工作.注意:任意時(shí)刻系統(tǒng)中連接動(dòng)力CAN網(wǎng)絡(luò)的MSCAN0_12和MSCAN1_12最多只有1個(gè)在工作 (系統(tǒng)正常通信時(shí)，只有1個(gè)工作.當(dāng)某一CAN子網(wǎng)的兩路CAN總線同時(shí)故障時(shí)，2個(gè)CAN控制器都脫離CAN總線，系統(tǒng)通信中斷，所以應(yīng)該及時(shí)處理每次故障，避免此種情況的發(fā)生)，同樣連接車身CAN網(wǎng)絡(luò)的MSCAN2_12和MSCAN3_12也是最多只有1個(gè)在工作，它們之間的切換，是通過CAN總線錯(cuò)誤報(bào)警中斷程序來實(shí)現(xiàn)的.

開始時(shí)需要編寫各中斷的中斷處理程序，并將該程序起始地址和參數(shù)存放到協(xié)處理器中斷向量表的相應(yīng)位置.CANx(x=0，1，2，3)中斷處理線程interrupt void CANx_Thread(DATA *date)的函數(shù)功能為從CAN節(jié)點(diǎn)接收緩沖區(qū)提取數(shù)據(jù)，對(duì)比過濾表 (在數(shù)據(jù)接收過程中，協(xié)處理器XGATE使用數(shù)據(jù)包過濾表去除各個(gè)子網(wǎng)的內(nèi)部通信，從而降低網(wǎng)絡(luò)流量，防止系統(tǒng)阻塞).若不是源網(wǎng)的內(nèi)部通信，按照它所屬源網(wǎng)絡(luò)的波特率存放到高速或低速數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)，同時(shí)釋放CAN節(jié)點(diǎn)接收緩沖區(qū).將該線程地址和參數(shù) (接收緩沖區(qū)地址)存放到協(xié)處理器XGATE中斷向量表的相應(yīng)域.軟中斷處理線程 interrupt void Software_Triggerx(DATA *date)完成CANx的發(fā)送.提取發(fā)送緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)，按照CAN總線規(guī)范重新組織數(shù)據(jù)幀格式，按照目的子網(wǎng)號(hào)發(fā)送到相應(yīng)CAN節(jié)點(diǎn)的發(fā)送緩沖區(qū)等待發(fā)送.將線程地址和參數(shù) (發(fā)送緩沖區(qū)地址)存放到協(xié)處理器XGATE中斷向量表的相應(yīng)位置[1].

編寫完這些子程序以后，讓協(xié)處理器進(jìn)入等待狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生接收中斷或是主處理器通過軟中斷通知協(xié)處理器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，協(xié)處理器進(jìn)入工作狀態(tài)完成數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的工作.協(xié)處理器工作流程如圖6所示.

圖6 協(xié)處理器工作流程圖

2.2 雙路CAN冗余機(jī)制的軟件實(shí)現(xiàn)

通過雙路總線冗余機(jī)制來提高CAN總線通信的可靠性，關(guān)鍵在于故障檢測(cè)及CAN總線的自動(dòng)切換.判斷總線故障時(shí)，利用了CAN總線控制器的故障界定狀態(tài)機(jī)制.圖7給出了CAN總線錯(cuò)誤處理流程圖.當(dāng)有錯(cuò)誤報(bào)警中斷時(shí)，如果總線關(guān)閉，則CAN控制器自動(dòng)與發(fā)生故障的CAN總線脫離，然后由通道切換程序啟動(dòng)另一路CAN總線來完成原來的通信任務(wù)，同時(shí)，要對(duì)故障的總線及時(shí)處理，以備下次切換使用.數(shù)據(jù)幀要重新接收或發(fā)送，以保證數(shù)據(jù)幀不丟失.如果總線沒有關(guān)閉，僅僅是處于錯(cuò)誤狀態(tài)時(shí)，通過軟件使CAN控制器與發(fā)生故障的CAN總線脫離，然后將MSCAN復(fù)位，重新初始化MSCAN模塊，使其進(jìn)入正常工作模式，繼續(xù)完成原來的任務(wù)，為保證數(shù)據(jù)幀不丟失，數(shù)據(jù)幀還要重新接收或發(fā)送[2].總線的故障檢測(cè)和自動(dòng)切換由協(xié)處理器XGATE來完成.為了保證通信的絕對(duì)可靠，當(dāng)故障的總線關(guān)閉以后，要及時(shí)對(duì)故障處理，以備當(dāng)目前切換到的新總線出現(xiàn)故障時(shí)，也能夠重新切換到原來的總線 (已經(jīng)修復(fù)).

圖7 總線錯(cuò)誤處理流程圖

考慮到當(dāng)2條總線同時(shí)故障時(shí)，系統(tǒng)將頻繁切換CAN通道，為了避免此種情況的發(fā)生，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置了一個(gè)記錄切換次數(shù)的變量Switch_Numbers，在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，若Switch_Numbers＞6，就不再進(jìn)行通道的軟切換，并發(fā)送報(bào)警信息[2].

3 結(jié)束語

通過對(duì)當(dāng)前車載網(wǎng)關(guān)的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前車載網(wǎng)關(guān)絕大多數(shù)采用了單處理器技術(shù)，并且是單總線結(jié)構(gòu)的，即使是較為少見的基于雙處理器技術(shù)的車載網(wǎng)關(guān)在設(shè)計(jì)中也是采用單總線結(jié)構(gòu)的，為了提高系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性，在此設(shè)計(jì)中基于MC9S12XDP512單片機(jī)采用了雙處理器雙總線方案.

采用了雙總線冗余通信機(jī)制，即兩路CAN總線都連接到系統(tǒng)上，其中一路作為主CAN，另一路作為備用的從CAN，系統(tǒng)上電以后，主CAN自動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)，從CAN處于監(jiān)聽狀態(tài) (正常工作時(shí))或故障狀態(tài) (故障時(shí)).當(dāng)主CAN發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)切換到從CAN，從而形成了雙CAN冗余熱備份運(yùn)行方式，從而可以提高系統(tǒng)的通信可靠性.

設(shè)計(jì)中采用了嵌入式開發(fā)的雙處理器技術(shù)，使協(xié)處理器XGATE全面負(fù)責(zé)各種中斷響應(yīng)，如數(shù)據(jù)接收中斷、數(shù)據(jù)發(fā)送中斷、數(shù)據(jù)溢出中斷和錯(cuò)誤報(bào)警中斷，等等，而主處理器S12X CPU專注與數(shù)據(jù)的處理，這樣可以大大地提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性.

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