劉波，李瓊，顧蓓蓓

(南京奧聯(lián)汽車電子技術(shù)有限公司，江蘇南京 211153)

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ISOCAN協(xié)議棧解析及其在飛思卡爾單片機(jī)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

劉波，李瓊，顧蓓蓓

(南京奧聯(lián)汽車電子技術(shù)有限公司，江蘇南京 211153)

摘要：ISOCAN協(xié)議被廣泛應(yīng)用于乘用車各電控單元間的數(shù)據(jù)交換。為確保數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的穩(wěn)定性和正確性，對(duì)ISOCAN協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并對(duì)協(xié)議棧的數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行具體的解析，詳細(xì)分析邏輯鏈路子層(LLC)和介質(zhì)訪問(wèn)層(MAC)、CAN的幀結(jié)構(gòu)以及CAN的錯(cuò)誤檢測(cè)和管理?；陲w思卡爾單片機(jī)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了上述協(xié)議，并通過(guò)Vector公司的CAN總線仿真工具CANoe對(duì)CAN收發(fā)過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：實(shí)現(xiàn)的協(xié)議?？梢詼?zhǔn)確穩(wěn)定地接收和發(fā)送報(bào)文，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的CAN通信協(xié)議的有效性。

關(guān)鍵詞：CAN；協(xié)議棧解析；飛思卡爾單片機(jī)；CANoe仿真

0引言

汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展，使得汽車上各電子控制系統(tǒng)功能更加精細(xì)，結(jié)構(gòu)越發(fā)復(fù)雜，如果汽車電子系統(tǒng)采用以往的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的方式，則會(huì)形成大量的線束，不僅占用了大量的車內(nèi)空間，還嚴(yán)重制約著汽車向經(jīng)濟(jì)性和智能化方向的發(fā)展，也成為汽車輕量化和進(jìn)一步電子化的最大障礙，汽車的制造和安裝也變得非常困難。因此，基于總線技術(shù)的車載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生，它被廣泛地應(yīng)用于汽車電子系統(tǒng)中[1-2]。

目前車載網(wǎng)絡(luò)的主流協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)主要分為多媒體網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、高安全性網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和中速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。多媒體網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中，面向媒體系統(tǒng)的傳輸協(xié)議MOST及IDB-1394是目前廣泛應(yīng)用的高速通信協(xié)議[3-4]。高安全性網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)旨在滿足線控汽車設(shè)計(jì)的安全性，TTCAN(Time Triggered CAN)、FlexRay和TTP(Time Triggered Protocol)是其主要代表[5-7]。低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)主要應(yīng)用于車內(nèi)傳輸速率和安全性不是太高的ECU場(chǎng)合，LIN(Local Interconnect Network)就是為此類應(yīng)用設(shè)計(jì)的低成本協(xié)議。LIN是單一主機(jī)系統(tǒng)，不但降低了硬件成本，而且很好地兼容了其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，LIN的傳輸速率高達(dá)20 kb/s[8]。中速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)以CAN、VAN、ABUS和SAEJ1850為代表，其中CAN最早成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的汽車總線協(xié)議，其產(chǎn)生和發(fā)展詳見(jiàn)第1節(jié)。

文中著重研究了乘用車內(nèi)廣泛使用的ISOCAN，對(duì)其協(xié)議棧結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并重點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議進(jìn)行解析。最后基于飛思卡爾單片機(jī)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了該協(xié)議，通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真證明了CAN報(bào)文收發(fā)過(guò)程的正確性和有效性。

1CAN總線的產(chǎn)生及發(fā)展

CAN總線是在20世紀(jì)80年代由BOSCH公司為解決汽車電子系統(tǒng)中數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的控制器局域網(wǎng)協(xié)議，是一種用于實(shí)時(shí)環(huán)境的串行通信總線，采用短幀結(jié)構(gòu)，非破壞性總線仲裁技術(shù)，支持多種工作方式，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等多種數(shù)據(jù)收發(fā)方式，具有完善的錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制，能夠滿足構(gòu)建高性能、高實(shí)時(shí)性系統(tǒng)的要求。1991年發(fā)布了CAN2.0版本的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，包括A和B兩個(gè)部分，在1.2版本基礎(chǔ)上增加了擴(kuò)展幀格式兼容[9-10]。1993年，CAN成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898(高速應(yīng)用)和ISO11519(低速應(yīng)用)，并在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。1995年，CIA組織(CAN in Automation)頒布了完整的CANopen協(xié)議，包括應(yīng)用層規(guī)范、通信協(xié)議和設(shè)備協(xié)議。

2標(biāo)準(zhǔn)化CAN協(xié)議棧解析

2.1標(biāo)準(zhǔn)化CAN的OSI模型體系結(jié)構(gòu)

CAN協(xié)議遵從ISO/OSI網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放系統(tǒng)模型，圖1為標(biāo)準(zhǔn)化CAN的各層協(xié)議(包括依據(jù)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn))及其與OSI模型各層的對(duì)應(yīng)關(guān)系。按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型，CAN協(xié)議可以分為4層，從上到下依次為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。圖1的右半部分為CAN數(shù)據(jù)鏈路層及物理層的詳細(xì)描述。故障界定是一種能區(qū)分短期干擾和永久故障的自校驗(yàn)機(jī)制。物理層可由檢測(cè)并管理物理介質(zhì)故障的實(shí)體總線故障管理和錯(cuò)誤界定來(lái)監(jiān)控[11-14]。

圖1　CAN的ISO網(wǎng)絡(luò)模型定義

數(shù)據(jù)鏈路層主要作用有：為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求以及數(shù)據(jù)傳輸提供服務(wù)，判斷是否接受收到的報(bào)文，提供恢復(fù)管理和過(guò)載通知服務(wù)。LLC子層的功能是為數(shù)據(jù)傳送和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求提供服務(wù)。MAC子層主要定義了傳送規(guī)則，即實(shí)現(xiàn)控制幀結(jié)構(gòu)、執(zhí)行仲裁、錯(cuò)誤檢測(cè)、出錯(cuò)標(biāo)定、故障界定等。

2.2LLC子層

LLC子層應(yīng)提供兩種類型的無(wú)連接模式發(fā)送服務(wù)：一種為未確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，該服務(wù)為L(zhǎng)LC用戶之間在沒(méi)有建立數(shù)據(jù)鏈路連接的情況下交換LSDU(LLC層服務(wù)數(shù)據(jù)單元)提供方法，數(shù)據(jù)傳輸方式可以為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、多路傳送或廣播；另一種為未確認(rèn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求服務(wù)，該服務(wù)為L(zhǎng)LC用戶在沒(méi)有建立數(shù)據(jù)鏈路連接的情況下提供請(qǐng)求遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)進(jìn)行LSDU傳輸?shù)姆椒ā８鶕?jù)以上兩種不同的LLC服務(wù)，在用戶之間傳送的幀類型有：LLC數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀。

2.3MAC子層

MAC子層服務(wù)允許本地LLC子層實(shí)體和同層LLC子層實(shí)體間交換MSDU(MAC層服務(wù)數(shù)據(jù)單元)，MAC子層提供確認(rèn)數(shù)據(jù)發(fā)送、確認(rèn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求和過(guò)載幀發(fā)送等服務(wù)。

MAC子層的功能模型如圖2所示。

圖2　MAC子層功能

該功能模型將MAC子層分成發(fā)送和接收兩個(gè)獨(dú)立的部分。幀發(fā)送實(shí)現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)封裝和發(fā)送介質(zhì)訪問(wèn)管理等功能；而幀接收實(shí)現(xiàn)接收媒介訪問(wèn)管理及接收數(shù)據(jù)拆裝等功能。

2.4CAN的幀結(jié)構(gòu)

CAN的報(bào)文主要有4個(gè)不同類型的幀：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀和過(guò)載幀。

對(duì)于數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀又定義了標(biāo)識(shí)符ID為11位的標(biāo)準(zhǔn)幀格式和29位的擴(kuò)展幀格式，兩種格式下的數(shù)據(jù)幀都由7個(gè)不同的位場(chǎng)組成：幀起始(SOF)、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、CRC場(chǎng)、應(yīng)答場(chǎng)(ACK)和幀結(jié)束，遠(yuǎn)程幀沒(méi)有數(shù)據(jù)場(chǎng)，標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀的格式見(jiàn)圖3。

圖3　標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式的數(shù)據(jù)幀

遠(yuǎn)程幀和數(shù)據(jù)幀的不同在于遠(yuǎn)程幀的RTR位是隱性的，而數(shù)據(jù)幀的RTR位是顯性的，且遠(yuǎn)程幀無(wú)數(shù)據(jù)場(chǎng)，數(shù)據(jù)代碼長(zhǎng)度DLC不受制約。

錯(cuò)誤幀和過(guò)載幀都由兩個(gè)域組成，其結(jié)構(gòu)分別如圖4 和圖5 所示。錯(cuò)誤幀由兩個(gè)不同的場(chǎng)組成，第一個(gè)場(chǎng)用作為不同站提供的錯(cuò)誤標(biāo)志的疊加，第二個(gè)場(chǎng)是錯(cuò)誤界定符。過(guò)載幀的兩個(gè)位場(chǎng)分別為過(guò)載標(biāo)志和過(guò)載界定符。

圖4　錯(cuò)誤幀結(jié)構(gòu)

圖5　過(guò)載幀結(jié)構(gòu)

2.5CAN錯(cuò)誤檢測(cè)與錯(cuò)誤管理

CAN通過(guò)定義完善的錯(cuò)誤檢測(cè)和管理機(jī)制，成為汽車網(wǎng)絡(luò)中安全、可靠的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。CAN總線中存在5種不同的錯(cuò)誤類型，分別為位錯(cuò)誤、填充錯(cuò)誤、CRC錯(cuò)誤、形式錯(cuò)誤和應(yīng)答錯(cuò)誤。

為了進(jìn)行故障界定，在總線上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)單元中都設(shè)置有兩種計(jì)數(shù)器：發(fā)送出錯(cuò)計(jì)數(shù)器和接收出錯(cuò)計(jì)數(shù)器。錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器按照一系列規(guī)則進(jìn)行更新。節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)遷移如圖6所示。

圖6　節(jié)點(diǎn)狀態(tài)遷移

根據(jù)錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器的數(shù)值，節(jié)點(diǎn)可能處于如下3種狀態(tài)：(1)錯(cuò)誤激活狀態(tài)。一個(gè)錯(cuò)誤激活狀態(tài)下的節(jié)點(diǎn)可正常參與總線通信，并在檢測(cè)到錯(cuò)誤時(shí)發(fā)送一個(gè)活動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志。(2)錯(cuò)誤認(rèn)可狀態(tài)。一個(gè)錯(cuò)誤認(rèn)可狀態(tài)下的節(jié)點(diǎn)不發(fā)送活動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志，它參與總線通信，但在檢測(cè)到錯(cuò)誤時(shí)，發(fā)送一個(gè)認(rèn)可錯(cuò)誤標(biāo)志。(3)總線關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)總線處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，即處于總線關(guān)閉狀態(tài)，在該狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)既不發(fā)送也不接收任何幀。

3標(biāo)準(zhǔn)化CAN協(xié)議棧在飛思卡爾單片機(jī)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)與仿真

文中以飛思卡爾單片機(jī)MC9S12G48MLH為平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了上述解析的協(xié)議，并將該CAN節(jié)點(diǎn)用于模擬汽車換擋器，將采集的請(qǐng)求擋位信息通過(guò)CAN總線發(fā)送給CANoe仿真工具模擬的車身控制模塊(VCM)，并接收VCM模擬發(fā)送的實(shí)際擋位信號(hào)，若請(qǐng)求擋位與實(shí)際擋位相同，則點(diǎn)亮相應(yīng)的擋位指示燈，否則使相應(yīng)的擋位指示燈閃爍。請(qǐng)求擋位信號(hào)與開(kāi)關(guān)霍爾輸出之間的關(guān)系及擋位指示燈與請(qǐng)求擋位和實(shí)際擋位的關(guān)系分別見(jiàn)表1和表2。

表1　請(qǐng)求擋位信號(hào)與開(kāi)關(guān)霍爾輸出之間的關(guān)系

表2　擋位指示燈與請(qǐng)求擋位和實(shí)際擋位的關(guān)系

表2中，0代表P擋指示燈閃爍，1代表P擋指示燈亮；2代表R擋指示燈閃爍，3代表R擋指示燈亮；4代表N擋指示燈閃爍，5代表N擋指示燈亮；6代表D擋指示燈閃爍，7代表D擋指示燈亮。模擬的CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文的數(shù)據(jù)域第一個(gè)字節(jié)表示擋位請(qǐng)求，第二個(gè)字節(jié)表示擋位指示燈亮閃情況；接收的VCM報(bào)文第一個(gè)字節(jié)表示實(shí)際擋位，其余數(shù)據(jù)域全部設(shè)為0。

3.1硬件設(shè)計(jì)

文中選用的單片機(jī)MC9S12G48MLH內(nèi)部集成了CAN控制器MSCAN，能按CAN2.0的要求對(duì)通信進(jìn)行規(guī)范管理，用戶只需設(shè)置或查詢相關(guān)的控制或狀態(tài)寄存器。文中將擋位采集節(jié)點(diǎn)與模擬的整車控制器相連，硬件結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7　CAN通信硬件結(jié)構(gòu)

主控制器主板CAN模塊接口外接CAN收發(fā)器，CAN收發(fā)器再連接到整車CAN總線上，文中采用的收發(fā)器為NXP公司生產(chǎn)的TJA1040T，其接口電路如圖8所示。圖中，L226為共模電感，目的是為了抑制共模干擾、提高電磁兼容性。兩個(gè)MMBZ33V的作用為雙重ESD保護(hù)二極管瞬態(tài)過(guò)電壓抑制。

圖8　CAN收發(fā)器接口電路

3.2軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要分為驅(qū)動(dòng)層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，其結(jié)構(gòu)和各部分的作用如圖9所示。主要實(shí)現(xiàn)的功能是將請(qǐng)求擋位通過(guò)CAN報(bào)文發(fā)送給VCM，VCM將實(shí)際所處的擋位通過(guò)報(bào)文發(fā)送給GSM模塊，GSM再將接收的實(shí)際擋位與請(qǐng)求擋位進(jìn)行比較，點(diǎn)亮相應(yīng)的擋位指示燈。GSM發(fā)送和接收?qǐng)?bào)文的流程圖分別如圖10所示。

圖9　軟件架構(gòu)圖

圖10　CAN報(bào)文發(fā)送和接收流程

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

采用德國(guó)Vector公司的產(chǎn)品CANoe對(duì)實(shí)現(xiàn)的CAN協(xié)議進(jìn)行仿真。CANoe是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)和ECU開(kāi)發(fā)、測(cè)試和分析的全面工具，包括模型創(chuàng)建、仿真、測(cè)試、診斷及通信分析等。使用CANoe對(duì)CAN總線仿真的原理見(jiàn)圖11，圖中的虛線部分表示可以接更多的物理節(jié)點(diǎn)，并模擬更多的仿真節(jié)點(diǎn)。文中實(shí)驗(yàn)只用一個(gè)物理節(jié)點(diǎn)和一個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)，仿真分析界面如圖12所示。

圖11　CANoe仿真原理

圖12　CANoe仿真分析界面

仿真結(jié)果分別如圖13—16所示。

圖13　模擬P擋信號(hào)發(fā)送和實(shí)際擋位接收

圖14　模擬R擋信號(hào)發(fā)送和實(shí)際擋位接收

圖15　模擬P擋信號(hào)發(fā)送和實(shí)際擋位接收

圖16　模擬R擋信號(hào)發(fā)送和實(shí)際擋位接收

圖13為模擬發(fā)送P擋的結(jié)果分析，從發(fā)送和接收的報(bào)文中可知：當(dāng)請(qǐng)求擋位為P擋且反饋擋位為P擋時(shí)，點(diǎn)亮P擋指示燈(Flag=1)(圖中圈出的部分)；當(dāng)請(qǐng)求擋位為P擋而實(shí)際擋位不為P擋時(shí)，閃爍P擋指示燈(Flag=0)。R、N和D擋的報(bào)文發(fā)送和接收情況分別見(jiàn)圖14—16。

4結(jié)束語(yǔ)

對(duì)目前乘用車廣泛應(yīng)用的ISOCAN協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析說(shuō)明，并對(duì)協(xié)議棧的數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行了具體的解析。對(duì)數(shù)據(jù)鏈路層中邏輯鏈路子層(LLC)和介質(zhì)訪問(wèn)層(MAC)、CAN的幀結(jié)構(gòu)以及CAN的錯(cuò)誤檢測(cè)和管理進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。為了實(shí)現(xiàn)解析的協(xié)議，基于飛思卡爾單片機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)了CAN物理節(jié)點(diǎn)來(lái)模擬汽車換擋器單元，并通過(guò)Vector公司的CAN總線仿真軟件CANoe對(duì)CAN收發(fā)過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的CAN協(xié)議可成功實(shí)現(xiàn)與CANoe模擬的VCM節(jié)點(diǎn)之間的通信。

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Analysis of ISOCAN Protocol Stack and Its Implementation Based on Platform of Freescale Microcontroller

LIU Bo, LI Qiong, GU Beibei

(Nanjing Aolian Automotive Electronic Technology Co.,Ltd., Nanjing Jiangsu 211153,China)

Abstract:ISOCAN protocol is widely applied to data exchange among each electronic control unit(ECU)of passenger vehicles. To ensure stability and correctness of data during transmission, the architecture of ISOCAN protocol stack was analyzed, then logical link layer(LLC)of protocol stack was analyzed specifically. LLC and MAC, architecture of CAN frame, and error detection & management were illustrated. Finally, the above protocol was implemented based on platform of Freescale microcontroller and the progress of CAN transmission and receive was verified throughout CAN bus simulation software CANoe produced by Vector company. Experimental results show that the implemented CAN protocol stack can be used to receive and transmit frames correctly and stably, which verifies the effectiveness of the designed CAN communication protocol proposed.

Keywords:Controller area network(CAN); Protocol stack analysis; Freescale microcontroller; CANoe simulation

收稿日期：2015-09-17

作者簡(jiǎn)介：劉波(1989—),男，碩士，研究方向?yàn)槠嘋AN協(xié)議及零部件開(kāi)發(fā)。E-mail：liubo369@126.com。

中圖分類號(hào):G64

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-1986(2016)01-028-06