CAN/GPRS无线车载网关的设计与实现

1 引言
随着汽车电子技术的不断发展，车上的电子装置越来越多，并与传感器和执行器一起共同组成了许多复杂的电子控制系统。结果连接这些电子装置的电子线路迅速膨胀，布线变得越来越困难，导致了车身重量明显增加，车辆运行的可靠性降低。传统点对点的连接方式已经无法满足现代汽车电子技术发展的要求，多路传输的车载网络技术成为解决这些问题的必然选择。德国BOSCH 公司[1]推出的控制局域网CAN(Controller Area Network)依靠其稳定的性能、低廉的价格和很高的可靠性和实时性，现在已经被广泛地应用于汽车内部网络。CAN总线的采用使汽车内部的信息数据共享成为现实。然而，现在信息数据的共享不仅仅局限于汽车内部，许多数据信息需要与外界进行交换。这些信息主要用于汽车导航、汽车GPS 定位、汽车防盗、汽车远程监控、汽车远程调度和收费等方面。由于汽车可移动性的特点，很多与外界交互的信息需要通过无线传输，所以我们选择具有覆盖面广、接入速度快、按流量计费等优点的通用分组无线业务GPRS(General Packet Radio Service)来承载无线数据通信。GPRS 是在GSM 基础上发展起来的一种无线分组交换技术[2]，被称为2.5G，最高带宽可达171.2Kb/s，可较好的满足无线通信的要求。
2 总体网络拓扑
总体网络拓扑如图 1 所示，汽车内部的电子控制单元都挂接到CAN 网上，汽车的内部数据信息通过CAN 总线进行传递，而需要与外界交互的数据则通过CAN/GPRS 无线车载网关进行收发。
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数据经过基站收发信机 BTS(Base Transceiver Station)、基站控制器BSC(Base Station Controller)和GPRS 服务支持节点SGSN(Serving GPRS Support Node)进入GPRS 骨干网；然后再通过GPRS 网关支持节点GGSN(Gateway GPRS Support Node)，进入Internet 互联网；并可以通过TCP 或UDP 协议把数据传送到Internet 远程服务器。
3 CAN/GPRS 无线车载网关硬件实现
因为整个汽车内部CAN网与外界交互的数据都需要通过CAN/GPRS无线车载网关进行收发，所以网关需要配备一个性能较高的微处理器。我们选择具有较高性价比的一款三星公司的32 位ARM9 微处理器S3C2410X 来作为网关的主控制器。S3C2410X 包含ARM920T核，最高处理速度为203MHz[6]，丰富的外围设备包括3 通道的UART、4 通道的DMA、2个SPI 接口、117 个通用I/O 口和24 个外部中断源等。采用一片三星的K9F1208 NAND Flash芯片(64M *8Bit)来储存网关软件系统的Bootloader，Linux 内核，根文件系统和网关程序。由两片HYNIX 的HY57V561620 DRAM 芯片(4Banks*4M*16Bit)构成64M 的SDRAM，用于加载Linux 操作系统和运行程序。采用12MHz 的有源晶振。设计了一个20 针JTAG 接口，用来烧写Bootloader。使用1 片MAX3232 构成UART 调试接口。因为整个系统的输入电压为5V，所以需使用AMS1117-3.3 和AMS1117-1.8 分别得到稳定的3.3V 和1.8V 电压。
CAN 控制器选择Microchip 的MCP2510，CAN 收发器选择Philips 的TJA1050 以组成网关的CAN 通信模块。MCP2510 支持CAN 总线V2.0A 和V2.0B 技术规范，通信数率可达1Mb/s，拥有3 个发送缓冲器、2 个接收缓冲器，高速SPI 接口支持0,0 和1,1SPI 模式。TJA1050具有对总线差分信号的收发功能和抗汽车环境下的瞬间干扰等能力。网关的GPRS 接口采用SIMCOM 公司的SIM300 GSM/GPRS 模块，该模块可为GSM 语音、短消息和GPRS 上网等业务提供无线接口。采用6 脚SIM 卡座来连接SIM 卡。网关的硬件结构如图2 所示。

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在实际硬件连接时，S3C2410 的SPI 接口与MCP2510 的SPI 接口直接相连。MCP2510的TXCAN、RXCAN 引脚分别与TJA1050 的TXD、RXD 引脚相连，而TJA1050 的CANH和CANL 引脚分别接到CAN 总线的CANH 线和CANL 线上。因为S3C2410 的UART 口并没有引出DCD、 DTR、DSR 和RI 信号引脚，要通过SIM300 无线联网，最好使用全部的信号引脚，所以我们使用PHILIPS 的SC16C550 从S3C2410 上扩展出标准的UART 接口与
SIM300 的UART 接口进行连接。CAN/GPRS 网关主要通信模块的硬件电路原理图如图3 所示。
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4 CAN/GPRS 无线车载网关软件实现
4.1 ARM-Linux 操作系统移植.
使用韩国 MIZI 公司开发的VIVI 作为bootloader、选择2.6 内核的ARM-Linux 作为嵌入式操作系统，并用busybox 制作Linux 的根文件系统。在K9F1208 NAND Flash 芯片上存储区域的划分如表1 所示。

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4.2 ARM-Linux 下SPI 驱动程序编写
使用 S3C2410 自带的SPI 通道0 与MCP2510 进行通信，其SPI 驱动程序流程[3]如下：
(1)写SPPRE0 寄存器，设置波特率。
(2)写SPCON0 寄存器，设置数据传输为0,0SPI 模式。
(3)向SPIDAT0 寄存器写10 次0xFF，以初始化MCP2510。
(4)设置GPIO 引脚，用来充当片选，设定低电平以激活MCP2510。
(5)检查SPSTA0 寄存器的发送状态位REDY 是否为1，若是，则可以向SPTDAT0 寄存器写数据并发送出去。
(6)SPCON0 寄存器的TAGD 不使能，向SPTDAT0 寄存器写入0xFF，在确认REDY 有效后，可从SPRDAT0 寄存器中读数据；TAGD 使能，确认REDY 后，也可从SPRDAT0 寄存器中读数据。
(7)设置GPIO 引脚，信号设为高电平，片选不使能。
4.3 ARM-Linux 下CAN 驱动程序编写
因为 CAN 应用层协议是基于CAN2.0B 技术规范设计的，所以通信报文采用CAN2.0B扩展帧格式。
初始化：(1)发送0xc0 复位指令，MCP2510 复位；(2)进入配置模式，设置CAN 总线波特率，关中断；(3) 设置屏蔽寄存器RXM(0、1)SID(L/H)、RXM(0、1)EID(8/0)和滤波寄存器RXF(0～5)SID(L/H)、RXF(0、1)EID(8/0)并启动；(4)设置CAN 设备为普通模式并切换到正常模式；(5)清空接收和发送缓冲区。(6)开启接收或发送缓冲区，开启中断。发送报文：(1)写标识符寄存器TXB(0～2)SID(L/H)、TXB(0～2)EID(8/0)；(2)向发送缓冲器数据长度寄存器TXB(0～2)DLC 写入要发送的报文长度；(3) 写数据时，需依次向MCP2510 发送0x02 写指令、发送缓冲器数据寄存器TXB(0～2)DM 的8 位地址码和需要发送的报文数据；（4）必须进行发送有效性检测，即：检测发送缓冲器控制寄存器TXB(0～2)CTRL 的TXREQ 位。为1 时，说明正在发送报文，须等待；当此报文发送完毕后，该位将被自动清零，这时才可写入下一个将要发送的报文数据。接收报文：(1) 向MCP2510 发送0xA0 状态读指令，并不断检测中断标志寄存器CANINTF，当发现RX(0、1)IF 位为1，说明接收缓冲器已收到报文；(2)这时可从接收缓冲器标识符寄存器中读出帧的ID，从接收缓冲器数据长度寄存器RX(0、1)BDLC 读出收到的报文长度；(3)读数据时，需依次向MCP2510 发送0x03 读指令、接收缓冲器数据寄存器RXB(0、1)DM 的8 位地址码后MCP2510 才会将数据通过SO 引脚发送出来。读完数据，RX(0、1)IF 位需清零。
4.4 ARM-Linux 下串口驱动程序修改及加载
因为我们使用的是与 16c550 寄存器兼容的UART 控制器芯片SC16C550，所以需要加载其在Linux 下的驱动程序serial_8250.c。但SC16C550 芯片是通过外部总线和S3C2410 微处理器连接的，所以在驱动程序的serial8250_isa_init_ports 函数中需加入对SC16C550 芯片所在Bank 空间的初始化，包括设置读/写时序、速度和总线宽度等信息[4]。
4.5 ARM-Linux 下GPRS 联网
GPRS 通过PPP(Point-to-Point Protocol，点对点协议)来完成联网。PPP 是在直接连接的串行链路上创建和运行IP 网际协议或其他网络协议的一个方案。在ARM-Linux 下对PPP的支持需要内核和应用程序配合管理。对于Linux2.6 内核，在配置内核时需要选择对PPP的支持，如：在Network device support 菜单下，选择支持PPP 协议、PPP 异步/同步串口通信和PPP 压缩。此外，还需要移植Linux 下PPP 的应用程序工具包，即把交叉编译后得到的pppd、chat 程序加入根文件系统。在根文件系统的/etc/ppp 目录下，还需编写3 个脚本文件：options(pppd 配置脚本)、gprs-connect(pppd 连接脚本)、gprs-disconnect(pppd 断开脚本)。在options 脚本中需指定串口控制台设备/dev/ttse/0、连接波特率115200、连接和断开脚本的存放路径； 在gprs-connect 脚本中运行chat 程序， 并指定APN 接入点， 如：'AT+CGDCONT=1,"IP","CMNET","",0,0'和ISP 呼叫号码：'ATD*99***1#'等。这样系统启动
后，直接使用pppd &命令即可实现GPRS 无线接入互联网。
4.6 CAN 应用层协议与UDP 或TCP 协议转换
因为 GPRS 网络是建立在TCP/IP 协议基础上的，所以通过GPRS 网络与Internet 远程服务器通信可以使用UDP 或TCP 协议。由于S3C2410 上不仅移植了Arm-Linux 操作系统，其本身已支持TCP/IP 协议，而且我们也把CAN 的应用层协议加载了上去。所以在网关上无线发送数据时，只需将汽车CAN 网上的CAN 数据包数据域中的数据加上UDP 或TCP包头即可发送出去；当在网关上无线接收数据时，只需去掉UDP 或TCP 数据包的包头，得
到的数据可以遵照CAN 应用层协议的报文格式向CAN 网上发送。协议转换如图4 所示。

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4.7 心跳程序的实现
因为 CAN/GPRS 无线网关与Internet 远程服务器通信时，可能会出现连接的异常情况，所以需要使用心跳程序来检测异常情况的发生，并通过心跳程序重新拨号来保证无线通信链路的正常连接[5]。我们可以定时Ping 远程服务器，若能Ping 通，则表示无线通信链路工作正常；若多次无法Ping 通，则必须断开连接，重新拨号。
5 结论
本文详细介绍了 CAN/GPRS 无线车载网关的实现，所实现的网关在实验通信网络中能较好地完成汽车内部CAN 网数据信息与外界的交互任务，并能长时间稳定运行，基本上达到了工作要求。
本文作者创新点：在CAN/GPRS 无线车载网关上能成功地运行ARM-Linux 嵌入式操作系统、心跳程序和底层硬件驱动程序，完成了CAN 应用层协议与TCP 或UDP 协议的转换，使得汽车内部CAN 网能与外界进行无线数据通信。