基于Infineon单片机的CAN网关研究

控制器局域网CAN（Controller Area Network）是德国Robert Bosch公司在20世纪80年代初为汽车业开发的一种车载专用串行数据通信总线，经过多年的发展，现在越来越多地被众多汽车厂商所认可。CAN不仅在汽车领域，而且在工业控制领域也得到了广泛的应用，如工业现场控制、小区安防、环境监控等。由于在具体工程应用中往往需要连接2路或者多路CAN子网，因此，CAN网关是必不可少的，是组网的关键设备之一。
　在欧洲乃至世界上的很多汽车厂家，大部分的车内电子控制单元大量使用原德国西门子半导体部门英飞凌科技(Infineon Technologies)的微控制器,特别是C166系列MCU,其优良特性得到各大汽车厂家的公认[1]。Infineon XC2000系列MCU是英飞凌新推出的具有32位处理器性能的16位MCU。XC2000家族又下分3个系列：XC2200、XC2300和XC2700。XC2200主要针对车身网关的应用；XC2300主要针对汽车安全性能的应用；XC2700则主要针对传动系统的应用。XC2000系列相对XC166系列,其内部的Flash和SRAM更大、主频更快、外设（如CAN节点）更多。其中，片内Flash最大为768 KB，片内SRAM最大为82 KB，主频最高为80 MHz。
　本网关采用Infineon公司生产的XC2200单片机，利用该单片机MultiCAN模块的网关(Gateway)功能实现CAN网关[2]。
1 CAN总线协议
　CAN总线是一种多主总线,支持分布式实时控制的串行数据通信网络,可以有效地构成分布式实时监测控制系统。CAN提供高达1 Mb/s的数据传输速率，这使实时控制变得非常容易。另外，硬件的错误检定特性增强了CAN的抗电磁干扰能力。CAN 协议支持4种不同的帧类型:数据帧、远程帧、出错帧、超载帧。
　在各种帧类型中，最常用的是数据帧。CAN标准帧类型的数据帧如图1所示,这也是CiA推荐的CANopen数据帧格式。

2 CAN总线通信硬件实现
    通常，1个完整的CAN节点应该包括以下3个部分：微控制器(MCU)、CAN控制器、CAN收发器。在本系统中，由于XC2200单片机内部集成了CAN控制器，因此在外围电路设计上只需考虑CAN收发器[3]。  
    本系统CAN收发器采用PCA82C250，PCA82C250与CAN总线的接口部分采用了安全和抗干扰措施。CANH和CANL与地之间并联了2个30 pF的小电容,可以滤除总线的高频干扰。另外,在2根CAN总线接入端与地之间分别反接1个保护二极管,当CAN总线有较高的负电压时,通过二极管的短路可起到一定的过压保护作用。PCA82C250的Rs脚上接有1个斜率电阻,电阻大小可根据总线通信速度适当调整,一般在16～140 kΩ之间。
    用光电隔离芯片6N137将CAN控制器和收发器PCA82C250隔离, 以便有效地增加通信距离和抗干扰能力。CAN 总线物理层接口电路如图2所示，隔离器把单片机的TXD、RXD与PCA82C250的TXD、RXD分别连接，然后把PCA82C250的CANH和CANL脚分别接到CAN 总线的CANH和CANL上。

3 MultiCAN模块及网关功能实现
3.1 MultiCAN模块[4]
    本方案采用XC2267单片机，该单片机MultiCAN模块拥有5个CAN节点和128个信息对象。本方案只使用其中4个CAN节点,每个节点都连接独立的CAN收发器，构成CAN通道。在MultiCAN模块中，每个CAN节点可以被独立地配置,且每个节点所在的CAN总线波特率可以不同。
    利用该模块的Gateway模式可方便地实现CAN网关功能，完成不同CAN总线上的数据交换[5]。这个过程无需CPU参与，有效减轻了CPU负荷，而使硬件承接了更多的工作量，改进了CAN网关设备的实时性能。
　 网关模式以信息对象为基础，在该模式下，数据在2个信息对象之间传递，从而实现信息对象所隶属的CAN节点之间的数据交换。利用信息对象之间的交换机制可以在任意2个CAN节点之间建立起网关,通常需要指明信息对象的具体传输方向（接收或发送）。
    该单片机MultiCAN模块拥有多达128个信息对象,所有的CAN节点共享有这些信息对象，每个对象都可独立地分配给MultiCAN模块内任1个CAN节点。每个CAN节点都有1个相应的双向信息对象列表，通过这个列表来管理该节点的信息对象，每个CAN节点只能把CAN信息储存在位于自身列表中的信息对象中。
3.2  CAN网关软件设计
3.2.1 PC端网关配置软件
    利用MFC编写PC端网关配置软件。PC机通过异步串行通信接口连接到网关设备，对其进行配置，配置即时生效。其配置界面如图3所示。

    Visual C++提供了一种好用的ActiveX控件MSComm(Microsoft Communications Control)来支持应用程序对串口的访问，在应用程序中插入MSComm控件后,可以方便地通过PC机串口实现数据收发。
    在PC端网关配置软件里配置串口、网关通道使能、网关路由、验收过滤器等内容，然后点击“下载到网关设备”按钮，完成配置工作。
3.2.2 MultiCAN模块初始化
    在网关设备接收到来自串口的配置数据后，解析该配置数据，随后启动单片机MultiCAN模块初始化，主要包括CAN节点初始化和信息对象初始化。
    CAN节点初始化的主要任务有:将单片机对应引脚定义为CAN输入/输出引脚、定义通信波特率，根据接收到的配置信息在信息对象列表内增加信息对象。
    信息对象初始化的主要任务有：配置信息对象属性、ID、帧类型、优先级、定义数据长度、数据传输方向，同时需要配置屏蔽寄存器,以决定信息对象的滤波方案。
    在初始化时，需要注意对节点控制寄存器NCR的CCE和INIT位域的置位和复位设置，以及信息对象控制寄存器MOCTRn的MSGVAL位域的置位和复位设置。
3.3 网关数据交换过程
    接收数据帧的网关方称为“源”，通过网关发送数据帧的网关方，称为“目标”。网关数据交换过程如图4所示。

　 首先经过接收过滤后，目标信息对象由源信息对象MOFGPRn寄存器内CUR位域寻址。源信息对象MOFCRn寄存器的位域IDC、DLCC、DATC分别控制是否复制所接收数据帧的ID、数据长度、数据字节到目标信息对象中，位域GDFS决定在完成数据复制过程之后，是否置位目标信息对象的发送请求标志。到达源节点的匹配数据帧，被自动复制到目标信息对象中。在复制数据帧之后，目标信息对象的TXRQ、NEWDAT、RXPND被置位，网关源方接收的数据帧自动在目标方上发送，完成网关数据交换过程。
3.4 CAN网关功能测试
　 德国IXXAT公司的USB-to-CAN compact是一种经济型智能接口，是标准的USB-CAN接口板卡。配合CanAnalyser分析软件便成为一种高效、便捷、灵活的CAN应用领域分析和开发工具。
    本CAN网关设备应用基于CANopen协议的某监控系统。经测试，该网关设备可及时转发CANopen协议的SDO、PDO、NMT、Heartbeat消息等报文，网关通信状况运行良好,设备符合CAN规范2.0A(11位CAN标识符)和2.0B（29位CAN标识符），可用于各种不同的高层CAN协议:CANOpen、SDS、J1939、DeviceNet或其他定制的协议。
    与其他类似网关设计不同[6]，在网关某一通道接收CAN信息之后，并没有产生MCU中断，无需MCU做出路由判断和转发处理。整个接收和转发过程中，延时较短，提高了网关运行速度和转发速率。
　本设计采用Infineon XC2000系列单片机，可实现多个CAN网络的连接。该网关具有4个通信端口，可迅速增加节点数目。因此在提供自由的布线方式的同时，也解除了系统总线上CAN收发器最大节点数驱动限制。结合PC端网关配置软件的使用，可以快速配置相应的CAN路由功能和信息过滤器。每个端口还具备检测总线活动功能及总线故障指示灯，方便观察CAN总线网络工作状态。