CAN與光纖通道網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)

武華　石海洋　楊媛媛

摘要：為了解決采用CAN總線的子系統(tǒng)接入航電主干網(wǎng)FC網(wǎng)絡(luò)的問題，提出了一種CAN/FC網(wǎng)關(guān)設(shè)計方案。通過對兩種網(wǎng)絡(luò)的分析和研究，設(shè)計了兩者協(xié)議轉(zhuǎn)換的方法，描述了網(wǎng)關(guān)模塊的工作流程，討論了實時性的設(shè)計。通過驗證表明，該設(shè)計能夠完成CAN網(wǎng)絡(luò)和FC網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，滿足系統(tǒng)要求。

關(guān)鍵詞：CAN；FC；網(wǎng)關(guān)；協(xié)議轉(zhuǎn)換

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）12-0049-03

Design and Implementation of CAN/FC GateWay

WU Hua， SHI Hai-yang， YANG Yuan-yuan

（Aeronautical Computing Technique Research Institute，Xian 710065，China）

Abstract： In order to solve the problem by using CAN bus subsystem access avionics backbone FC network，the paper proposed a design scheme of CAN/FC gateway. Through the analysis and research on the two kinds of network， designs a methods of protocol conversion based on the them， describes the work flow of gateway module， discusses the design of the real-time. Experiments show that， the proposed design， can complete the interconnection of CAN network and FC network， can meet the system requirements.

Key words： CAN；FC；gateway；protocol conversion

CAN總線最初主要應(yīng)用于汽車內(nèi)部測量和執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。隨著CAN總線相關(guān)技術(shù)的日趨成熟，以及車載平臺與機載平臺在某些方面的相似性，其在航空領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸得到重視，近年來已經(jīng)開始把CAN總線應(yīng)用到飛機上[1]。

光纖通道（Fibre Channel，F(xiàn)C）協(xié)議具有高速率、低延遲、低位錯率，能夠很好地滿足新型航空電子互連系統(tǒng)的要求，已成為航空電子統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)的主要候選協(xié)議。

在航電系統(tǒng)中，F(xiàn)C網(wǎng)絡(luò)作為主干通信網(wǎng)絡(luò)，用于連接各航電子系統(tǒng)，但在某些子系統(tǒng)內(nèi)，仍采用CAN總線協(xié)議傳輸，因此需要設(shè)計一種用于CAN/FC轉(zhuǎn)換的網(wǎng)關(guān)，將這些子系統(tǒng)接入到航電主干網(wǎng)絡(luò)。本文通過對CAN網(wǎng)絡(luò)和FC網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及數(shù)據(jù)幀的分析，提出一種CAN/FC網(wǎng)關(guān)的設(shè)計方法，討論了轉(zhuǎn)發(fā)的實時性設(shè)計，完成了FC與CAN的協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

1 CAN與FC協(xié)議分析

1.1 CAN總線

CAN的通訊速率最高可達1Mbps，傳輸采用幀結(jié)構(gòu)（0-8字節(jié)）。在CAN2.0B的版本協(xié)議中，有兩種不同的幀格式，不同之處為標識符域的長度不同，含有11位標識符的幀稱之為標準幀，而含有29位標識符的幀稱之為擴展幀。無論是哪種幀格式，在報文傳輸時都有四種不同類型的幀：數(shù)據(jù)幀、錯誤幀、遠程幀、過載幀，本文只對標準數(shù)據(jù)幀的處理進行描述。

1.2 光纖通道協(xié)議

針對FC技術(shù)用于航空電子領(lǐng)域的需求，F(xiàn)C-AE提出一種上層協(xié)議FC-AE-ASM，該協(xié)議用于支持航空電子應(yīng)用的處理器、傳感器和顯示器之間確定、安全、低延遲的通信[2]。本文所描述的FC網(wǎng)絡(luò)即采用FC-AE-ASM進行數(shù)據(jù)傳輸。FC協(xié)議共分為5層，具體見表1[3]。

表1 FC協(xié)議分層結(jié)構(gòu)

[FC-4＼&定義了光纖通道的應(yīng)用接口，規(guī)定了上層協(xié)議到光纖通道的映射＼&FC-3＼&對物理和信號（FC-PH）層以上的高層協(xié)議提供了一套通用的公共通信服務(wù)＼&FC-2＼&規(guī)定了節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸方式，以及幀格式、幀序列、通信協(xié)議和服務(wù)分類＼&FC-1＼&規(guī)定了傳輸協(xié)議，包括串行編碼和解碼規(guī)則以及差錯控制＼&FC-0＼&規(guī)定了連接的物理特性，如傳輸介質(zhì)、傳輸方式和速率＼&]

在光纖通道的FC-2層中，定義了幀的標準格式，每個幀標準長度為2148B，其中包括：幀起始標志SOF、幀結(jié)束標志EOF、CRC校驗碼、FC幀頭以及數(shù)據(jù)信息，F(xiàn)C幀的格式定義如圖1所示。

FC-AE-ASM協(xié)議是ASM協(xié)議到FC的映射，要求Tpye字段為0x49，并且將ASM協(xié)議頭映射到FC幀的數(shù)據(jù)字段中。FC-AE-ASM協(xié)議中，每條消息都有唯一的消息ID，根據(jù)消息ID來標識數(shù)據(jù)的內(nèi)容。FC-AE-ASM的幀格式如圖2所示。

1.2.1 網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換分析

為了將CAN網(wǎng)絡(luò)接入FC網(wǎng)絡(luò)，順利實現(xiàn)兩者的信息交流，必須用網(wǎng)關(guān)連接起來，完成兩者協(xié)議或數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換，也就是將傳輸信息重新封裝且滿足目標網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的要求。CAN與FC網(wǎng)關(guān)必須能夠接收和發(fā)送兩個網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)。CAN網(wǎng)絡(luò)參考ISO模型，自上而下分為三層：應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，因此針對兩者網(wǎng)絡(luò)的分層模型，在應(yīng)用層完成CAN網(wǎng)絡(luò)和FC網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換即可實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)功能，如圖3所示。

CAN與FC數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換需要通過分析各自的幀結(jié)構(gòu)，提取重要信息，設(shè)計轉(zhuǎn)換協(xié)議，實現(xiàn)兩種網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換。包括CAN到FC的轉(zhuǎn)換與FC到CAN的轉(zhuǎn)換。兩者通過網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖疽鈭D如圖4所示。

首先定義用于CAN和FC進行轉(zhuǎn)換的ASM消息ID及其屬性，消息ID作為FC-AE-ASM接收的唯一標識，在FC網(wǎng)絡(luò)配置時，確定用于封裝CAN數(shù)據(jù)的消息ID，以便收到該消息的節(jié)點進行對應(yīng)的處理。

由于CAN數(shù)據(jù)載荷最大為8字節(jié)，F(xiàn)C-AE-ASM數(shù)據(jù)載荷最大為2096字節(jié)。因此從CAN到FC的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換相對簡單，將CAN信息存放在FC-AE-ASM幀的數(shù)據(jù)字段，定義要轉(zhuǎn)發(fā)的CAN數(shù)據(jù)、標識符、幀格式、保留字等內(nèi)容。當網(wǎng)關(guān)接收到CAN數(shù)據(jù)時，將CAN信息按照上述格式填充到FC-AE-ASM幀的數(shù)據(jù)字段，發(fā)送到FC網(wǎng)絡(luò)中。具體定義如圖5所示。

從FC到CAN的轉(zhuǎn)發(fā)相對復雜，F(xiàn)C消息的載荷最大為2096字節(jié)，可以存放多幀CAN數(shù)據(jù)，考慮到CAN的速率和CAN設(shè)備的數(shù)目等因素，設(shè)計最多轉(zhuǎn)發(fā)256字節(jié)的CAN數(shù)據(jù)，并在FC消息中定義CAN數(shù)據(jù)實際長度，標識符、幀類型等內(nèi)容，封裝在FC-AE-ASM數(shù)據(jù)字段的CAN信息定義如下。

當網(wǎng)關(guān)接收到FC消息時，首先從FC-AE-ASM幀的數(shù)據(jù)字段讀取CAN數(shù)據(jù)的實際長度，如果大于8個字節(jié)，按照一幀8個字節(jié)的方式，計算CAN的幀數(shù)目，并封裝CAN數(shù)據(jù)，分為多次發(fā)送出去，CAN標識符ID按照約定遞增。具體流程如圖7所示。

1.2.2 設(shè)計與驗證

1）CAN/FC網(wǎng)關(guān)模塊設(shè)計

本文研制的CAN/FC網(wǎng)關(guān)模塊，提供FC光接口及CAN總線接口，實現(xiàn)FC與CAN總線數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換工作。模塊采用FPGA設(shè)計，實現(xiàn)FC協(xié)議處理，F(xiàn)C-MAC、MGT及CAN接口控制等功能，F(xiàn)PGA具備協(xié)處理器硬核，用于完成CAN/FC協(xié)議轉(zhuǎn)換的軟件處理工作，外接光電收發(fā)器實現(xiàn)FC光電信號轉(zhuǎn)換。CAN網(wǎng)絡(luò)接口由CAN控制器SJA1000和CAN收發(fā)器SM1050組成。CAN/FC網(wǎng)關(guān)模塊功能框圖如圖8所示。

通過協(xié)處理器，對CAN和FC接口進行初始化，設(shè)置速率、幀格式、幀類型、校驗碼、過濾碼等參數(shù)，設(shè)置FC消息的ASM消息ID、S_ID、D_ID等參數(shù)。

MGT單元和光電收發(fā)器實現(xiàn)FC-1和FC-0層定義的串并轉(zhuǎn)換、8B/10B編碼和物理層功能[4]。

CAN轉(zhuǎn)FC的過程中，CAN數(shù)據(jù)從總線上接收上來后，進入CAN控制器的接收緩沖區(qū)，協(xié)處理器的軟件通過查詢，判斷CAN的接收緩沖區(qū)是否有數(shù)據(jù)，如果有數(shù)據(jù)，讀取CAN數(shù)據(jù)信息，再根據(jù)FC發(fā)送管理邏輯判斷FC緩沖是否有空閑，如果有空閑，將CAN數(shù)據(jù)封裝到FC消息的數(shù)據(jù)中，然后將組織好的FC消息內(nèi)容寫入FC發(fā)送緩沖區(qū)，發(fā)送緩沖區(qū)采用環(huán)形緩沖機制，緩沖區(qū)大小為4K字節(jié)；數(shù)據(jù)寫入后，更新FC發(fā)送管理邏輯狀態(tài)。FC發(fā)送控制邏輯響應(yīng)發(fā)送緩沖區(qū)狀態(tài)變化，按照先進先出的隊列讀取方式，將當前發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)幀取出提交給FC MAC，并更新發(fā)送緩沖區(qū)狀態(tài)。最終FC數(shù)據(jù)幀由MGT經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后發(fā)送至FC網(wǎng)絡(luò)。

FC轉(zhuǎn)CAN的過程中，F(xiàn)C接收控制邏輯負責響應(yīng)并接收FC數(shù)據(jù)幀，將FC幀寫入FC接收緩沖區(qū)，接收緩沖區(qū)采用環(huán)形緩沖機制，緩沖區(qū)大小為4K字節(jié)；待FC幀接收完成，將狀態(tài)通知FC接收管理邏輯，并報中斷給協(xié)處理器，協(xié)處理器收到FC接收中斷，從當前FC接收緩沖區(qū)將FC數(shù)據(jù)取出，提取CAN的相關(guān)信息，判斷CAN數(shù)據(jù)實際長度，如果需要分幀，按照上一章節(jié)規(guī)則進行處理，將組織好的CAN數(shù)據(jù)寫入CAN控制器的發(fā)送緩沖，并通知其發(fā)送到CAN網(wǎng)絡(luò)。

2）實時性設(shè)計

CAN/FC網(wǎng)關(guān)在應(yīng)用環(huán)境中的典型場景為，F(xiàn)C網(wǎng)絡(luò)按照應(yīng)用任務(wù)規(guī)劃，以不同的周期通過網(wǎng)關(guān)向CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)，并且CAN網(wǎng)絡(luò)按照最小周期監(jiān)控數(shù)據(jù)，對轉(zhuǎn)發(fā)時間要求較高。CAN網(wǎng)絡(luò)則是在有數(shù)據(jù)時，通過網(wǎng)關(guān)向FC網(wǎng)絡(luò)傳遞信息，且時間要求較低。因此協(xié)處理器軟件在CAN/FC轉(zhuǎn)換時，需要考慮兩者的速率相差較大和封裝數(shù)據(jù)多少的問題。FC速率至少為1Gbps，CAN最高為1Mbps，且從FC網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)CAN時，最多可以攜帶256字節(jié)的CAN數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)時，數(shù)據(jù)量不同時間不同。

從CAN網(wǎng)絡(luò)到FC時，數(shù)據(jù)內(nèi)容長度固定，轉(zhuǎn)換可以及時處理。但從FC到CAN的轉(zhuǎn)換時，面臨如下問題。為了保證及時轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，降低延時，采用中斷接收FC數(shù)據(jù)。當任務(wù)周期重合時，會在短時間內(nèi)突發(fā)接收到大量FC數(shù)據(jù)幀，可能引起丟失中斷，因此在處理FC接收中斷時，需將FC接收緩沖中的數(shù)據(jù)讀空，將已收到的FC數(shù)據(jù)全部轉(zhuǎn)換為CAN數(shù)據(jù)發(fā)出去，從而保證高的響應(yīng)速度和低延遲的轉(zhuǎn)發(fā)傳輸。

3）驗證環(huán)境

模擬實際應(yīng)用環(huán)境，搭建驗證平臺，將CAN測試設(shè)備的數(shù)據(jù)通過CAN/FC網(wǎng)關(guān)模塊，基于FC協(xié)議數(shù)據(jù)幀封裝，通過FC光纖鏈路，經(jīng)過FC專用測試設(shè)備，發(fā)送到FC功能節(jié)點。FC功能節(jié)點按照應(yīng)用任務(wù)周期，向CAN/FC網(wǎng)關(guān)模塊發(fā)送FC消息，網(wǎng)關(guān)提取有用信息、重新組織CAN消息，并發(fā)送到CAN總線上，CAN測試設(shè)備接收。經(jīng)測試CAN的接收時間滿足應(yīng)用要求。驗證環(huán)境如圖9所示。

2 結(jié)束語

本文在深入分析CAN協(xié)議和FC協(xié)議的基礎(chǔ)上，對CAN/FC網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)封裝進行設(shè)計，結(jié)合網(wǎng)關(guān)模塊的設(shè)計，描述了網(wǎng)關(guān)工作的流程，并對實時性的設(shè)計進行了探討。將網(wǎng)關(guān)連接到實際網(wǎng)絡(luò)上，長時間連續(xù)工作，數(shù)據(jù)在兩種網(wǎng)絡(luò)中傳遞，沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，且延時滿足系統(tǒng)的要求，進一步驗證了該設(shè)計的可行性和可靠性。

參考文獻：

[1] 馮源，豆海利.CAN總線在航空領(lǐng)域應(yīng)用的探討[J].航空工程進展， 2011，2（2）：231-235.

[2] 丁凡，宋麗茹，熊華鋼.FC-AE-ASM 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送控制算法研究[J].電子與信息學報，2009，31（6）：1509-1512.

[3] 沙永忠，馮巧寧，劉明，等.光纖通道航電總線數(shù)據(jù)采集器設(shè)計[J].測控技術(shù)，2014， 33（3）：106-109.

[4] 朱志強.基于光纖通道的LVDS 圖像傳輸技術(shù)研究[J].光通信技術(shù)，2013（6）：48-51.