一種汽車CAN總線網關的報文接收和發送方法

馬建輝 胡代榮 郭坤

摘 要： 提出并驗證了一種汽車CAN總線網關的報文接收和發送方法。以軟件緩沖區配合CAN控制器的硬件緩沖區，設計軟件緩沖區管理任務，通過與硬件緩沖區的聯動能夠實時地接收報文，保證報文不丟失。同時，在CAN控制器硬件緩沖區未滿時及時將報文發送到總線上，不漏發報文，也不影響周期報文的周期準確性。

關鍵詞： BCM； 低功耗； RKE； CAN總線； 網關； 報文

中圖分類號： TN915.05?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）11?0005?03

A messages receiving and transmitting method of automotive CAN bus gateway

MA Jianhui1， 2， 3， HU Dairong1， 2， 3， GUO Kun1， 2， 3

（1. Qilu University of Technology （Shandong Academy of Sciences）， Jinan 250353， China；

2. Institute of Automation， Shandong Academy of Sciences， Jinan 250014， China；

3. Shandong Key Laboratory of Automotive Electronics Technology， Jinan 250014， China）

Abstract： A massage receiving and transmitting method of automotive CAN bus gateway is proposed and verified. The management tasks of the software buffer were designed to make the software buffer match up the hardware buffer of the CAN controller. The interaction of software buffer with the hardware buffer can realize the real?time message receiving， and ensure the message not to be lost. At the same time， the message is timely sent to the bus before the hardware buffer of CAN controller is completely filled up， which can send all the messages without missing， and maintain the periodic accuracy of periodic messages.

Keywords： BCM； low?power consumption； BKE； CAN bus； gateway； massage

0 引 言

隨著汽車電子部件的增多和智能化程度的提高，CAN總線系統已經成為汽車的重要組成部分。根據功能劃分、拓撲結構設計和實時性的不同要求，汽車一般會設計多個CAN網絡。CAN網絡之間的信息交互由網關實現，網關包括多個CAN接口，接入不同的CAN網絡，實現報文的接收和轉發[1]。在所有的CAN網絡節點中，從報文接收和發送的角度看，網關的負荷是最高的。CAN網絡采用非破壞性仲裁方式競爭總線，任一節點可以在任意時刻向總線發送數據，連接多個CAN網絡的網關可能會在較短的時間內接收到大量報文，并需要在短時間內轉發大量需要路由的報文。進行周期報文的轉發時，根據不同汽車廠家的要求，報文周期一般需要保證在規定值的±10%以內，這對網關的實時性、準確性都提出了較高的要求。

出于成本節約和集成化的要求，汽車電子零部件采用MCU內部的CAN控制器結合物理層芯片實現CAN總線通信[2]。由于低成本MCU的內部CAN控制器的硬件接收緩沖區和硬件發送緩沖區很小，當CAN網絡上短時間內出現大量報文時，如果未能及時讀取硬件接收緩沖區中的數據并清零標志位，便無法接收新的報文；當CAN網關短時間內需要轉發大量報文時，如果硬件發送緩沖區已滿，但仍存在需要發送的報文時，如果未能及時轉發報文，可能會造成漏發報文或者周期不準確的錯誤[3]。如果選用CAN控制器硬件接收緩沖區和硬件發送緩沖區都比較大的MCU，會增加成本，影響經濟效益和社會效益。

為此，本文提出并驗證了一種汽車CAN總線網關的報文接收和發送方法[4]，能夠實時地接收報文，保證報文不丟失，同時在CAN控制器硬件緩沖區未滿時及時將報文發送到總線上，不漏發報文，也不影響周期報文的周期準確性。

1 整體方案設計

針對CAN報文的接收和發送，分別定義軟件接收緩沖區和軟件發送緩沖區，并創建緩沖區管理任務。緩沖區為結構體數組形式的環形隊列[5]，結構體成員包括報文ID、報文長度和報文數據，數組長度根據CAN網絡矩陣表、網關報文周期和網絡負載率進行設置，保證在CAN網絡正常通信的情況下，不會出現緩沖區溢出的情形[6]。軟件緩沖區數組元素通過索引進行尋址，接收數組和發送數組各包括存入索引和取出索引。將索引加1時，如果索引值等于數組長度，將索引值置零。

以中斷方式接收CAN網絡報文[7]，在CAN控制器接收中斷服務程序中，將CAN控制器硬件接收緩沖區中的數據存入由接收數組存入索引尋址的接收緩沖區位置，向緩沖區管理任務發送“接收到新報文”的信號，同時，將存入索引加1，如果存入索引值等于數組長度，將存入索引值置零。

當應用需要發送報文時，首先通過CAN控制器的寄存器判斷硬件發送緩沖區是否已滿，如果未滿，將待發送報文填充到硬件發送緩沖區，CAN控制器自動完成報文發送任務[8]；如果已滿，將待發送報文存入由發送數組存入索引標記的軟件發送緩沖區位置，將存入索引加1，同時開啟CAN報文發送中斷。如果存入索引值等于數組長度，將存入索引值置零。

CAN控制器成功發送報文后，觸發報文發送中斷，在CAN報文發送中斷服務程序中向緩沖區管理任務發送“硬件發送緩沖區未滿”信號。

在緩沖區管理任務中，如果接收到的信號是“接收到新報文”，進入軟件接收緩沖區管理子任務；如果接收到的信號是“硬件發送緩沖區未滿”，進入軟件發送緩沖區管理子任務。

整體工作流程如圖1所示。

2 軟件緩沖區管理

由于網關報文眾多且硬件緩沖區資源有限，為了保證網關不丟失任何報文并實現報文周期的準確性，可以采用配置各個CAN節點的報文發送時段的方法，它能夠避免因多個節點同時發送報文導致總線競爭以及報文過于密集的現象，該方法能夠改善總線報文在時間軸上的分布[9]，降低對CAN控制器硬件緩沖區的要求，但是這種方法需要分析總線波特率、網絡內所有報文的優先級和周期，不僅需要每個CAN節點都實現這種方法，而且靈活性很差，一旦由于網絡拓撲的改變增加或減少了某個節點，便會影響整個設計。

基于此，本方法采用軟件緩沖區的方式[10]，采用中斷方式觸發報文軟件緩沖區管理任務，如圖2所示，報文接收中斷，表明硬件接收緩沖區存在待解析的報文，觸發軟件接收緩沖區管理子任務，報文發送中斷，表明硬件發送緩沖區未滿，可以進行報文發送，觸發軟件發送緩沖區管理子任務。采用這種方法，當網絡拓撲發生改變或者增減CAN網絡報文時，不必修改本方法的設計，靈活性很高，而且以實時中斷的方式觸發報文緩沖區管理任務，能夠保證數據的一致性和報文周期的準確性。

此外，針對及時轉發報文的要求，如果采用周期性掃描數據緩沖區的方法判斷是否有需要發送的數據包，在很多情況下，由于不存在需要發送的數據包，這時仍然進行周期性掃描，會白白浪費嵌入式系統寶貴的計算資源。另外，如果設置的掃描周期時間較長，會造成需要轉發的短周期報文不滿足周期準確性要求，如果設置的掃描周期時間較短，會加大系統負荷。因此，本方法采用中斷方式觸發報文緩沖區管理任務，能夠保證數據的一致性和報文周期的準確性。

2.1 軟件接收緩沖區管理

首先，通過比較接收數組的存入索引和取出索引，判斷是否存在待處理報文。如果存入索引和取出索引相等，表示不存在待處理的報文，直接退出軟件接收緩沖區管理子任務；如果兩者不相等，表示存在待處理的報文。讀取接收數組中由取出索引標記的元素，根據報文ID、長度和數據進行相應處理，然后將取出索引加1，如果取出索引值等于數組長度，將取出索引置零。再次判斷存入索引是否等于取出索引，循環這個過程，直至處理完所有未被處理的報文。流程圖如圖3所示。

2.2 軟件發送緩沖區管理

首先，通過比較發送數組的存入索引和取出索引，判斷是否存在待發送報文。兩者相等表示不存在未被發送的報文，關閉報文發送中斷，退出軟件發送緩沖區管理子任務；如果兩者不相等，首先，通過CAN控制器寄存器判斷硬件發送緩沖區是否已滿，如果已滿，直接退出軟件發送緩沖區管理子任務。如果未滿，讀取發送數組中由取出索引標記的元素，將報文ID、長度和數據賦值到CAN控制器硬件發送緩沖區對應的寄存器，然后將取出索引加1，如果取出索引值等于數組長度，將取出索引值置零。再次比較發送數組的存入索引和取出索引，直到退出軟件發送緩沖區管理子任務。軟件發送緩沖區管理流程圖如圖4所示。

3 結 語

本文提出的方法采用CAN控制器硬件緩沖區較小的MCU進行網關設計，降低了汽車零部件的成本，提高了社會效益。而且，本方法可以適用于普通的CAN節點，具有很強的通用性。

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