基于Infineon TriCore 的CAN 網關-Ethernet 設計與實現

張小衛，伍 春，劉 雄，李典典

（1.西南科技大學 國防科技學院，綿陽621010；2.西南科技大學 信息工程學院，綿陽621010）

控制器局域網CAN（controller area network），是國際上應用最廣泛的開放式現場總線之一[1]，廣泛用于汽車行業、航空、工業控制、車輛電子變速系統等。 CAN 能提供安全、有效、即時控制，能使網絡消息的傳輸效率高，實現各節點之間實時、可靠的數據通信，然而CAN 總線有自身的局限性，如通信速率制約通信距離，隨著CAN 總線節點增減，會使網絡負荷加重，從而出現嚴重的網絡擁塞[2]。

以太網是基于IEEE 802.3（Ethernet）的強大的區域和單元網絡，在其工業控制網絡領域有著廣泛的運用， 工業控制網絡中使用以太網作為主干網，通過協議轉換設備與現場總線連接分工，以太網用于匯集現場設備數據，便于遠程控制觀測等[3]。 以太網具有傳輸距離遠、速度快、數據傳輸量大，然而以太網也有其局限性，如實時性差，因為其不僅占單片機資源還會增加開發成本，不適用于小量數據的傳輸與控制。

綜上所述， 本文綜合了CAN 總線和以太網優勢，本系統設計實現了一種基于Infineon TriCore 的CAN 網關-Ethernet，通過CAN 網關局域互聯，實現不同速率的CAN 總線節點信息交互， 增加CAN 終端接入設備數量， 降低單一CAN 總線節點負荷，通過CAN 網關實現現場設備局域互聯和以太網實現遠程控制與觀測，增加了工業控制的靈活性。 因此，CAN 網關-Ethernet 設計具有十分重要的現實意義。

1 CAN 網關-Ethernet 系統設計

本系統設計由主控器件TC264DA、4 個CAN 收發器單元、以太網控制器PEF7071V、上位機、系統復位、系統電源、系統時鐘共同組成，如圖1 所示。 4個CAN 收發單元， 對應3 種不同波特率的CAN 總線， 既有高速CAN 總線也有低速CAN 總線， 每個CAN 總線節點都配置有3 個報文對象，其中節點之間的報文對象共同組成內部網關系統，處于網關模式的報文對象，無需CPU 干預，實現CAN 總線節點之間的信息傳輸與交互，組建CAN 總線節點之間的局域通信，其中CAN 總線節點0 下的報文對象4 和CAN 總線節點3 下的報文對象7 的數據，通過以太網與上位機建立連接，以太網采用TCP/IP 協議。

圖1 CAN 網關-Ethernet 系統設計框圖Fig.1 Design block diagram of CAN gateway-Ethernet system

2 系統硬件設計

2.1 32 位TriCore 單片機TC264DA

主控器件TC264DA 選用Infineon AURIXTM系列下的擁有雙TriCore，200 MHz 主頻的單片機，TriCore 是英飛凌32 位單片機的中央處理單元，其中英飛凌AURIXTM 系列[4]和AUDO 系列都采用內核TriCore[5]。TC264DA 擁有5 個CAN 節點、752 KB RAM 帶ECC 保護、96 KB E2PROM， 支持100 Mbit以太網。

2.2 CAN 收發器和以太網模塊

本文選用2 片Infineon 公司的CAN 收發器TLE6250GV33 和2 片Philips 公司的CAN 收發器TJA1051T/3， 兩款CAN 收發器都支持最高1 Mbps總線速率和都符合ISO11898，TJA1051T/3 較同款產品電磁兼容性（EMC）和靜電放電（ESD）性能更佳，增強了系統穩定性；TLE6250GV33 針對汽車和工業應用中的高速差分模式數據傳輸進行了優化，并且與ISO/DIS 11898 兼容。

本系統使用以太網控制器PEF7071V， 此芯片具有引腳少， 支持全雙工或半雙工模式下10、100和1000 Mbit/s 的速度，以太網控制器PEF7071V 通過I2C 外接E2PROM，用于儲存芯片內部MDIO 等寄存器的配置信息。

2.3 MultiCAN+模塊結構

單片機TC264DA 的MultiCAN+模塊包含5 個CAN 節點，256 個報文對象，5 個CAN 節點共用1 套報文對象。 每個報文對象可被獨立分配到任一CAN 節點[6]，每個節點可以獨立工作或者通過網關功能交換數據和遠程幀， 每個CAN 節點都可以接收或發送標準幀（11 位標識符）和擴展幀（29 位標識符），MultiCAN+提供了CAN v2.0B 的規范， 最高通信速率1 Mbit/s，其結構框圖如圖2 所示。 每個CAN 節點由幾個子單元組成，報文控制器處理CAN 節點之間的CAN 幀交換和處理儲存在RAM 中的報文對象，列表控制器執行所有雙鏈報文對象列表的修改操作，僅允許列表控制器對列表結構進行修改，中斷控制邏輯采用中斷壓縮機制，實現了靈活的中斷處理，共有537 個來自CAN 節點和報文對象的硬件中斷源和16 個軟件啟動的中斷源， 地址譯碼器分別指向中斷控制邏輯、列表控制邏輯和報文控制器。

圖2 MultiCAN+模塊框架Fig.2 MultiCAN + module framework

3 系統軟件設計

3.1 CAN 網關模式

CAN 網關模式是指在2 個獨立的CAN 總線之間建立一個不需要CPU 干預的自動信息傳輸。在網關模式下，把接收報文對象稱為網關源，把發送報文對象稱為網關目標，在配置好接收功能的報文對象后，再設置網關源報文對象功能寄存器的MMC=0100B，選擇網關模式，設置網關源報文對象功能寄存器的IDC、DLCC、DATC 分別復制接收信息的標識符（ID）、數據長度、數據，IDC=1 表示網關源的ID復制給網關目標， 否則網關源和網關目標的ID 根據本報文對象配置而定， 不參與CAN 網關傳輸，其中GDFS=1，對應的網關目標的報文對象控制寄存器TXRQ 位需置位，設置網關源FIFO/網關指針寄存器TOP、BOT、CUR 選擇網關源指向的網關目標報文對象，如TOP=BOT=CUR=5，表示指向網關目標報文對象5。在配置好發送功能的報文對象后，再設置網關目標報文對象控制寄存器的NEWDAT、RXPND 位為1。 網關源與網關目標配置過程如圖3 所示。

3.2 TCP/IP 傳輸模型

圖3 網關源與網關目標配置過程Fig.3 Gateway source and gateway target configuration process

TCP/IP 中文名為傳輸控制協議/因特網互聯協議，又名網絡通訊協議[7]，是Internet 最基本的協議，Internet 國際互聯網絡的基礎， 由網絡層的IP 協議和傳輸層的TCP 協議組成。 從協議分層模型方面來講，TCP/IP 由4 個層次組成：網絡接口層、網絡層、傳輸層、應用層，各個層之間的傳輸模型如圖4 所示，本文使用TCP 傳輸，利用TCP 傳輸可靠性的特點，TCP 用來傳輸控制命令。 地址解析協議（ARP），是根據IP 地址獲取物理地址的一個TCP/IP 子協議， 源主機以廣播方式將ARP 請求數據包發送出去，目的主機檢測IP 地址是否是發給自己的，如果是則目的主機回復一個ARP 應答數據包給源主機，則是告訴源主機自己的MAC 地址， 以保證通信的順利進行。 本文網絡傳輸實現部分是采用LwIP 協議棧。

圖4 TCP/IP 傳輸模型Fig.4 TCP/IP transport model

本設計采用NETCONN 編程接口完成本系統與上位機之間的TCP 通信， 本設計基于Erika Enterprise 實時操作系統[8]，上位機作為客戶端模式，以太網控制器PEF7071V 配置為服務器模式， 其服務器端和客戶端程序流程如圖5 所示，由LwIP 內核完成，客戶端與服務端建立TCP 3 次握手，直到接收到客戶端連接請求， 然后接收客戶端數據處理解析，最后向客戶端發送數據。

圖5 服務器和客戶端程序流程Fig.5 Flow chart of server and client programs

4 系統測試

本系統測試借助于外部輸入和上位機軟件測試，外部通過STM32 的CAN 模塊產生2 個ID 信號輸入TC264DA 的CAN 節點0， 分別是以ID 為0x264 開頭數據為0x00 和ID 為0x182 開頭數據0x75，CAN 節點0 波特率為800 Kbps，ID 為0x264的數據直接通過報文對象1 接收處理然后通過CAN 網關傳給CAN 節點1 的報文對象3 發送處理，實現CAN 總線數據交互，CAN 節點1 波特率為40 Kbps；CAN 節點0 下的報文對象4 接收ID 為0x182 的數據，通過協議轉換為TCP/IP 傳輸至上位機顯示。 上位機下發一幀CAN 數據給CAN 節點3下的報文對象7，ID 為0x222，CAN 節點3 和CAN節點2 為200 Kbps， 報文對象7 發送數據，CAN 節點2 下的報文對象2 接收ID 為0x222 的數據并通過CAN 網關模式再傳輸給CAN 節點3 下的報文對象5，此時數據幀不變，ID 變為0x2FF 再發送，CAN節點2 下的報文對象6 接收通過網關再傳輸至CAN 節點1 下報文對象0， 此時報文對象0 發送給外接總線設備。主要實現不同波特率CAN 總線節點相互傳輸數據和相同的數據以不同的ID 在CAN 總線上相互傳輸，通過CAN 總線節點相互傳數，增加CAN 總線節點接入的設備數量。

上位機使用網絡調試助手，TC264DA 的網絡模塊工作在TCP 服務器模式，上位機軟件網絡調試助手工作在TCP 客戶端模式。 網絡調試助手本地地址為192.168.0.30， 服務器端口號為23，LwIP 協議棧初始化配置中，TCP 服務器IP 地址為192.168.0.20，子網掩碼255.255.255.0，整個系統測試如圖6 所示。

圖6 系統測試Fig.6 System test

5 結語

本文通過采用Infineon TriCore 實現了CAN 網關-Ethernet 設計，該系統通過CAN 網關組建的局域網可以實現不同速率的CAN 總線節點交互通信，并且實現了CAN 網關組建的局域網與上位機通過TCP/IP 協議進行數據傳輸和通信，增強其系統控制的靈活性和實現高效的數據傳輸與增加CAN 終端接入設備的數量，本系統的實現在工業控制中有著較高的工程應用價值。