CAN/FlexRay网关的设计与实现

　　摘要：为了解决CAN网络和FlexRay网络之间的数据共享问题，提出了一种CAN/FlexRay网关设计方案。通过对两种网络的分析和研究，设计实现了基于处理器的网关的硬件和软件。

　　该网关完成了CAN网络和F1exRay网络的互联，实现了不同网络设备的数据共享问题。

　　0引言

　　CAN网络因其实时性。无破坏仲裁和多主多从等优越特性成为汽车控制网络的首要选择，但随着汽车电子技术及网络技术的不断发展，CAN网络的传输模式过于简单并受传输速率的限制，难以满足日益发展的车载信息设备对大数据量。高可靠性等方面的要求。作为新一代现场总线接口标准的FlexRay则具有突出的可靠性。实时性和高传输速率等优点。在经过不断的发展和验证后，FlexRay总线标准已经日益成熟，目前已经开始应用在行驶动态管理系统和发动机管理系统中。

　　随着汽车系统化。信息化进程不断推进，FlexRay总线的应用不断增加，因此cAN和FlexRay两个网络之间不可避免地需要进行数据交换，需要一个工作在CAN网络和FIexRav网络之间的设备。目前CAN/FlexRay总线网关设计在国外技术相对成熟，并已经普及到一些中次的汽车上，但国内还尚未正式在行业内进行应用，因此研究并开发这一技术在技术上和应用上都具有深远的意义。

　　1 CAN总线介绍

　　上世纪80年代末，德国博世公司开发了一种串行通信协议CAN并成为了国际标准，实现了汽车中控制单元和测试设备之间的实时数据交换。CAN总线与其他总线相比，具有突出的可靠性。实时性和灵活性。重要的是，目前有20多家CAN总线协议控制器芯片生产厂商，产品种类繁多，这一切导致了cAN总线的成本很低，且具有极高的总线利用率。CAN总线的优点十分突出，因此得到了广泛的应用。

　　2 FlexRay总线介绍

　　FlexRay是戴姆勒克莱斯勒公司的注册商标，在FlexRay联盟（FlexRay Consonium）的推进下，FlexRay不断标准化，并成为新一代汽车内部网络通讯协议。FlexRay总线是一种高速可确定性的，具备故障容错的总线系统，其主要应用在与确定性和故障容错有密切关系的电子设备上，是一种更可靠的高速汽车网络系统。

　　FlexRay总线传输速率比CAN总线高20倍，并且符合TDMA（Time Division Multiple Access）的原则，因此总线访问完全是确定的。FlexRay总线实现双通道故障容错，以及带宽可以静态。动态分配，提高了应用的可靠性和灵活性。

　　3网关的实现

　　CAN/FlexIhy网关作为CAN网络和FlexRay网络中间件，完成了两者协议或数据之间的转换，也就是将传输信息重新封装且满足目标网络协议的要求。

　　CAN网络和FlexRay网络都只是支持OSI（0pen SystemInterconnection）模型中的层和第二层，CAN/FlexRay网关必须能够接收和发送两个网络上的数据，因此在传输层完成CAN网络和FlexRay网络的数据交换即可实现网关功能，如图l所示。

　　3.1网关的硬件实现CAN/FlexRay网关由三部分组成：CAN网络接口。FlexRay网络接口和数据处理单元。其中C舢WFlexRay数据处理单元是网关模块的部分，该部分选用的处理器是Freescale公司出产的MPC8245.

　　MPC8245属于ⅪSC体系架构，主频为300MH2.

　　CAN网络接口由CAN控制器SJAl000和CAN收发器PCA82C25 1 T组成。FlexRay网络接口由F1exRay通信控制器MFR4310和总线控制器TJAl080组成。为了提高抗干扰性，在CAN网络接口电路和FlexRay网络接口电路分别设计了隔离电路。网关的硬件结构如图2所示。

　　3.2网关的软件实现

　　CAN佰lexRay网关软件采用结构清晰的模块化设计思路，在设计决策上表现为支持平台软件。驱动层软件以及应用层软件。支持平台软件包括BOOT程序。BSP以及操作系统三部分内容，其中B00T程序需要完成模块运行状态判断，并引导相应的程序，包括引导配置加载程序。BSP和操作系统。驱动层软件主要实现模块设备的驱动支持，由设备驱动模块和通信驱动模块（包括F1exRay驱动和CAN总线驱动两部分）组成，提供自定义设备驱动控制接口以及中断管理的支持。应用层软件主要实现模块设备的应用功能的处理，由设备管理。BIT程序。CAN网络和FlexRay网络协议转换组成。

　　3.2.1 CAN总线应用软件实现

　　CAN总线节点的接收选用中断方式。当CAN控制器接收到报文后，将会向处理器产生中断，处理器判断中断向量启动对应的中断服务程序。在中断服务程序里，处理器将接收到的数据从CAN控制器的接收缓冲区中读取，在判断数据类型后保存到对应的缓冲区。CAN总线是按照事件触发方式执行，因此当接收到发送命令时，处理器会启动CAN发送程序。首先确定当前发送缓冲区指针，将待发送的报文写入CAN控制器的发送缓冲，然后设置发送请求标识位，CAN控制器就可以自动完成发送工作。

　　3.2.2 FlexRay总线应用软件实现

　　FlexRay总线是按照TDMA方式执行，因此不管数据是否更新，当到了设定的时间片时，FlexRay通信控制器将会自动从缓冲区取出数据写入对应的发送buffer.当发送时间片到达时，CC会产生一个中断信号。为了提高工作效率，在接收到发送中断时，只是将该发送的消息号写入消息队列后就退出中断服务程序。

　　在FlexRay发送任务中，当消息队列指针发生变化则会开始此次发送工作。为确保数据完整性，CC会先将消息buffer锁定，所有的发送工作都在消息bu虢r锁定的情况下执行。当完成待发送数据的更新后，则解除消息buffer的锁定。FlexRay总线接收程序的设计思路同发送程序一致，在此不再赘述。

　　3.3协议转换程序

　　3.3.1网关路由表

　　为了实现网关协议的转换功能，就必须根据系统应用环境建立网关路由表，网关路由表存放的是CAN网络和FlexRay网络之间的路径关系。为了能够方便应用程序能快速识别转换路径，网关路由表由三部分组成，分别是CAN索引标识。消息调度规则。F1exRav索引标识。该表在系统启动时完成初始化，为网关下一步工作做好准备。

　　3.3.2缓冲区

　　缓冲区的管理必须和网关的调度结合起来，这个是整个网关软件的关键，它的性能与采用的调度方式密切相关。在接收时通过网关路由表的判断，如果是需要进行转发的数据，则直接将接收到的数据写入对应网络的发送缓冲区中，这样可以极大地提高工作效率。

　　CAN总线缓冲区是通过环形队列实现的，在初始化时，定义其数据结构并建立一个指定空间大小的环形缓冲区，从而避免了重复建立缓冲区而导致的内存空间溢出和泄漏等问题。并且这样存储地址是完全连续的，因此在向缓冲区进行读写操作时，只需要判断缓冲区当前指针即可获得首地址，减少了多重条件的判断，提高了处理的效率。

　　而FlexRay总线的缓冲区则与CAN总线缓冲区有所不同，虽然同样是环形队列，但根据FlexRay通信控制器应用特点而有所改变。FlexRay通信控制器共有128个通信buffer,在F1exRay总线初始化时，应用程序会记录下配置信息中发送bu船r的数量，并且在建立缓冲区时为每个发送buffer建立一个环形队列。

　　环形队列的长度至少是FlexRay数据包长度的N倍，在发送时更新当前bu毹r数据指针即可。

　　缓冲区管理示意图如图3所示。

　　4结论

　　笔者通过分析CAN/FlexRay网关的系统结构，给出了CAN/FlexRay网关的硬件实现和软件设计架构。通过试验证明，笔者设计的CAN/FlexRay网关能很好地实现CAN网络和FlexRay网络之间的数据信息交换。本设计方法具有良好的推广性，满足了系统设计需求。