呂晉超，葉玖林，李世超

（電子科技大學(xué)，微電子與固體電子學(xué)院，四川成都610054）

基于MCS-51的CAN/LIN網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

呂晉超，葉玖林，李世超

（電子科技大學(xué)，微電子與固體電子學(xué)院，四川成都610054）

CAN總線和LIN總線在汽車工業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用后，如何有效地解決CAN總線和LIN總線相互轉(zhuǎn)換已然成為一個(gè)問(wèn)題。論文基于MCS-51提供了一個(gè)有效的解決方案，運(yùn)用MCS-51定時(shí)器的定時(shí)功能，定時(shí)向各節(jié)點(diǎn)發(fā)起通訊來(lái)達(dá)到實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康摹?/p>

MCS-51；CAN總線；LIN總線；網(wǎng)關(guān)

1 引言

在汽車電子工業(yè)的發(fā)展過(guò)程中，CAN總線協(xié)議和 LIN總線協(xié)議在其中扮演著重要的角色。CAN適用于要求高速長(zhǎng)距離傳輸?shù)膱?chǎng)合，而對(duì)于低速廉價(jià)的要求，LIN更加適用，但因?yàn)橐粋€(gè)系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)了兩個(gè)不同的總線協(xié)議，并且兩個(gè)協(xié)議之間要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，所以我們就需要CAN/LIN網(wǎng)關(guān)對(duì)速率、其數(shù)據(jù)等進(jìn)行轉(zhuǎn)換，下面我們對(duì)CAN和LIN協(xié)議進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

1.1 CAN協(xié)議

CAN總線是德國(guó)BOSCH公司從80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。CAN總線具有如下特點(diǎn)：可在各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通信。CAN總線采用了多主競(jìng)爭(zhēng)式總線結(jié)構(gòu)，具有多主站運(yùn)行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點(diǎn)；通信速率快，通信速率最高可達(dá)1Mbps；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只有2根線與外部相連，并且內(nèi)部集成了錯(cuò)誤探測(cè)和管理模塊。CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸采用短幀的格式，可分為標(biāo)準(zhǔn)格式幀和擴(kuò)展格式幀，幀則可分為：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀、過(guò)載幀。

1.2 LIN協(xié)議

LIN總線是由1999年成立的LIN聯(lián)盟所推出的專門(mén)用于汽車控制的串行通信協(xié)議。在對(duì)通訊速率要求不高的應(yīng)用中（在門(mén)窗、空調(diào)、照明燈等），LIN總線是CAN總線的低成本的有效補(bǔ)充。LIN總線具有如下特點(diǎn)：低成本：基于通用UART接口幾乎所有微控制器都具備LIN必需的硬件；單主控器/多從設(shè)備模式無(wú)需仲裁機(jī)制；傳輸速率最高可達(dá)20Kbit/s。LIN總線的傳輸（報(bào)文傳輸）由報(bào)文幀的格式形成和控制，一個(gè)報(bào)文幀是由主機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報(bào)頭和由主機(jī)或一個(gè)從機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的響應(yīng)組成。報(bào)文幀的報(bào)頭包括同步間隔場(chǎng)、同步場(chǎng)和標(biāo)識(shí)符場(chǎng)。報(bào)文幀的響應(yīng)則由字節(jié)場(chǎng)組成：數(shù)據(jù)場(chǎng)和校驗(yàn)和場(chǎng)。

2 CAN/LIN網(wǎng)關(guān)的硬件實(shí)現(xiàn)

CAN總線和LIN總線是一個(gè)系統(tǒng)中兩個(gè)不同的總線，并且要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，CAN/LIN網(wǎng)關(guān)就是充當(dāng)一個(gè)橋梁的角色，在網(wǎng)關(guān)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，除此之外網(wǎng)關(guān)還要匹配兩種總線的傳輸速率。就硬件邏輯實(shí)現(xiàn)的角度，可采用“CAN接口驅(qū)動(dòng)—中央控制器—LIN接口驅(qū)動(dòng)”的結(jié)構(gòu)。

2.1 CAN接口驅(qū)動(dòng)

一個(gè)CAN接口驅(qū)動(dòng)由一個(gè)CAN控制器、CAN收發(fā)器。CAN控制器完成CAN協(xié)議的所要求的報(bào)文格式的發(fā)送和接收，CAN收發(fā)器為CAN控制器和CAN總線提供物理接口。本文的CAN控制器采用 Philips公司的 SJA1000，SJA1000具有支持CAN2.0，包括標(biāo)準(zhǔn)的和擴(kuò)展的數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程幀、具有擴(kuò)展的64字節(jié)FIFO接收緩沖器、具有仲裁丟失捕獲寄存器的特點(diǎn)；CAN的收發(fā)器采用的是Philips公司的 TJA1050，TJA1050具有高速率（最高達(dá)1Mbps）、電磁抗干擾EMI性極高、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等的特點(diǎn)。

2.2 LIN接口驅(qū)動(dòng)

由于LIN協(xié)議相較于CAN協(xié)議較為簡(jiǎn)單并且對(duì)速度要求不高，所以LIN的接口驅(qū)動(dòng)中沒(méi)有LIN控制器，LIN總線的協(xié)議只需具有UART串口的微處理器軟件編寫(xiě)，所以LIN接口驅(qū)動(dòng)只有單獨(dú)的LIN收發(fā)器組成。LIN 收發(fā)器采用 Philips公司的TJA1020，TJA1020具有波特率高達(dá)20Kbps、高抗電磁干擾性、控制輸入電平和3.3V以及5V的器件兼容等的特點(diǎn)。

2.3 中央控制器

中央控制器是CAN/LIN網(wǎng)關(guān)的核心，它起著控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收、報(bào)文格式的轉(zhuǎn)換等功能。中央控制器采用MCS-51單片機(jī)，它具有操作簡(jiǎn)單、成本低、穩(wěn)定性高等的特點(diǎn)，下圖為CAN/LIN網(wǎng)關(guān)的硬件電路圖。

3 CAN/LIN網(wǎng)關(guān)的軟件實(shí)現(xiàn)

有了硬件的基礎(chǔ)，就需要軟件的實(shí)現(xiàn)來(lái)完成網(wǎng)關(guān)的功能。網(wǎng)關(guān)的功能主要功能是實(shí)現(xiàn) CAN/LIN協(xié)議的轉(zhuǎn)換，但同時(shí)網(wǎng)關(guān)是CAN總線上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，它能實(shí)現(xiàn)CAN總線的相互通信，網(wǎng)關(guān)也是LIN總線上的主機(jī)，由它來(lái)控制LIN總線上節(jié)點(diǎn)之間的通信。無(wú)論是CAN協(xié)議向LIN協(xié)議的轉(zhuǎn)換還是LIN協(xié)議向CAN協(xié)議轉(zhuǎn)換都需要向網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)處理發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，傳輸?shù)搅硪粭l總線上。如下圖所示，CAN（或LIN）節(jié)點(diǎn)分別將數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上，中間的網(wǎng)關(guān)接收總線上的數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，發(fā)到LIN（或CAN）總線上，最終LIN（或CAN）節(jié)點(diǎn)接收總線的數(shù)據(jù)，需要注意的是網(wǎng)關(guān)中的4個(gè)緩沖器并不是硬件緩沖器，而是軟件緩沖器，是程序模塊，起對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的作用。

本文利用的是分時(shí)向各節(jié)點(diǎn)發(fā)起通訊，具體的軟件實(shí)現(xiàn)可利用MCS-51單片機(jī)的定時(shí)功能，采用依次向各節(jié)點(diǎn)發(fā)起通信的方式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。將MSC-51的定時(shí)器0設(shè)置一定的時(shí)間T，每隔時(shí)間T就去檢測(cè)各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，如下圖所示，最初是初始化MCS-51單片機(jī)和CAN控制器，而后檢查定時(shí)器0是否有置位，如果說(shuō)置位了則檢測(cè)LIN節(jié)點(diǎn)是否有數(shù)據(jù)發(fā)出，有的話將LIN節(jié)點(diǎn)的發(fā)送緩沖器數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)的LIN接收緩沖器，然后依次將數(shù)據(jù)一層層地發(fā)送到CAN節(jié)點(diǎn)上，之后再檢測(cè)網(wǎng)關(guān)的CAN接收緩沖器，如果有數(shù)據(jù)則發(fā)送到網(wǎng)關(guān)的LIN發(fā)送緩沖器，網(wǎng)管的LIN發(fā)送緩沖器有數(shù)據(jù)，此時(shí)將這個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)到LIN節(jié)點(diǎn)上。具體的邏輯結(jié)構(gòu)如下圖所示。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證算法的可行性和程序的正確性以及網(wǎng)關(guān)性能，完成了一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)在測(cè)試系統(tǒng)中，由控制臺(tái)、CAN節(jié)點(diǎn)1、LIN節(jié)點(diǎn)1和LIN節(jié)點(diǎn)2組成，其中控制臺(tái)連接到CAN總線，它既是CAN總線上的節(jié)點(diǎn)同時(shí)也是測(cè)試系統(tǒng)的控制臺(tái)。由控制臺(tái)可對(duì)其它三個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，而其它三個(gè)節(jié)點(diǎn)又可通過(guò)故障開(kāi)關(guān)對(duì)控制臺(tái)進(jìn)行通訊，可通過(guò)各節(jié)點(diǎn)上的指示燈來(lái)獲知數(shù)據(jù)的發(fā)送也接收。上圖為測(cè)試系統(tǒng)，下圖為測(cè)試網(wǎng)關(guān)。

在CAN/LIN網(wǎng)關(guān)中，實(shí)時(shí)性是評(píng)估系統(tǒng)的重要性能數(shù)據(jù)，可以通過(guò)數(shù)據(jù)發(fā)送也接收的時(shí)間差異來(lái)判斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的好壞。為了評(píng)估此系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，在不同LIN波特率（Kbps）和CAN波特率（Kbps）測(cè)試延時(shí)時(shí)間。

延時(shí)時(shí)間（m s）L I N波特率（ 2 . 4 4 . 8 9 . 6 1 4 . 4 1 9 . 2 1 0 0 5 6 4 8 4 0 3 1 2 1 2 5 0 5 6 4 7 3 9 3 0 2 1 1 0 2 4 5 3 4 5 3 8 2 7 1 9

從上表數(shù)據(jù)可以看出，高速總線CAN的波特率提升對(duì)于延時(shí)時(shí)間的減小影響較小，而通過(guò)對(duì)低速總線LIN波特率的提升對(duì)于延時(shí)時(shí)間的減小效果較為明顯。所以說(shuō) LIN波特率是延時(shí)時(shí)間的主要因素，CAN波特率是延時(shí)時(shí)間的次要因素。在對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合，可通過(guò)提高LIN波特率來(lái)達(dá)到較小延時(shí)時(shí)間的目的，而對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合，可通過(guò)同時(shí)提高LIN波特率和CAN波特率來(lái)減小延時(shí)時(shí)間。

5 總結(jié)

基于MCS-51單片機(jī)的CAN/LIN網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)有效地解決了CAN總線與LIN總線的相互數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，并且采用分時(shí)向各節(jié)點(diǎn)發(fā)起通訊的方法具有程序結(jié)構(gòu)清晰、程序移植性好、通用性好、成本低廉等優(yōu)勢(shì)。利用MCS-51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的CAN/LIN網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)也存在一定的局限性，在硬件電路的集成度方面還存在不足，有待今后進(jìn)一步改善。

[1]崔俊鋒，袁濤.車身混合網(wǎng)絡(luò)中CAN/LIN網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2006,22（3）.

[2]王豐華.汽車上CAN/LIN混合網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用研究［D］.鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2006.

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（責(zé)任編輯：王 林）

CAN/LIN Gateway Based on the MCS-51

LV Jin-chao，YE Jiu-lin，LI Shi-chao
(Schoolof Micro-Electronics andSolid-StateElectronics,University of Electronic Science andTechnology ofChina,Chengdu 610054,China)

The CANbus and LINbus have been large-scalely applied in automobile industry.Howto effectively solve the transformation between the CAN bus and LIN bus has become a problem,and this article,based on MCS-51,provides an effective solution,using MCS-51 timer timing function,timing on each node communication,to achieve the purpose of realization of data transmission.

MCS-51;CAN bus;LIN bus;gateway

TN915

A

1009-3583（2014）-0079-03

2014-05-06

呂晉超，男，貴州貴陽(yáng)人，大學(xué)本科生，主要從事CAN總線技術(shù)的應(yīng)用和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究。