摘 要： 采用Infineon XC2000系列單片機實現CAN網關模塊，利用MFC編寫PC端網關配置軟件。該系列單片機MultiCAN模塊可實現不同速率的獨立CAN網絡之間的數據接收、存儲、轉發；能夠過濾不需要的CAN消息，降低子網的負荷。該網關模塊可以實現改變CAN網絡拓撲結構、延長網絡通信距離、增加節點數目等功能。
關鍵詞： CAN網關; Infineon單片機; 信息對象
控制器局域網CAN（Controller Area Network）是德國Robert Bosch公司在20世紀80年代初為汽車業開發的一種車載專用串行數據通信總線，經過多年的發展，現在越來越多地被眾多汽車廠商所認可。CAN不僅在汽車領域，而且在工業控制領域也得到了廣泛的應用，如工業現場控制、小區安防、環境監控等。由于在具體工程應用中往往需要連接2路或者多路CAN子網，因此，CAN網關是必不可少的，是組網的關鍵設備之一。
在歐洲乃至世界上的很多汽車廠家，大部分的車內電子控制單元大量使用原德國西門子半導體部門英飛凌科技(Infineon Technologies)的微控制器,特別是C166系列MCU,其優良特性得到各大汽車廠家的公認[1]。Infineon XC2000系列MCU是英飛凌新推出的具有32位處理器性能的16位MCU。XC2000家族又下分3個系列：XC2200、XC2300和XC2700。XC2200主要針對車身網關的應用；XC2300主要針對汽車安全性能的應用；XC2700則主要針對傳動系統的應用。XC2000系列相對XC166系列,其內部的Flash和SRAM更大、主頻更快、外設（如CAN節點）更多。其中，片內Flash最大為768 KB，片內SRAM最大為82 KB，主頻最高為80 MHz。
本網關采用Infineon公司生產的XC2200單片機，利用該單片機MultiCAN模塊的網關(Gateway)功能實現CAN網關[2]。
1 CAN總線協議
CAN總線是一種多主總線,支持分布式實時控制的串行數據通信網絡,可以有效地構成分布式實時監測控制系統。CAN提供高達1 Mb/s的數據傳輸速率，這使實時控制變得非常容易。另外，硬件的錯誤檢定特性增強了CAN的抗電磁干擾能力。CAN 協議支持4種不同的幀類型:數據幀、遠程幀、出錯幀、超載幀。
在各種幀類型中，最常用的是數據幀。CAN標準幀類型的數據幀如圖1所示,這也是CiA推薦的CANopen數據幀格式。
2 CAN總線通信硬件實現
通常，1個完整的CAN節點應該包括以下3個部分：微控制器(MCU)、CAN控制器、CAN收發器。在本系統中，由于XC2200單片機內部集成了CAN控制器，因此在外圍電路設計上只需考慮CAN收發器[3]。
本系統CAN收發器采用PCA82C250，PCA82C250與CAN總線的接口部分采用了安全和抗干擾措施。CANH和CANL與地之間并聯了2個30 pF的小電容,可以濾除總線的高頻干擾。另外,在2根CAN總線接入端與地之間分別反接1個保護二極管,當CAN總線有較高的負電壓時,通過二極管的短路可起到一定的過壓保護作用。PCA82C250的Rs腳上接有1個斜率電阻,電阻大小可根據總線通信速度適當調整,一般在16～140 kΩ之間。
用光電隔離芯片6N137將CAN控制器和收發器PCA82C250隔離, 以便有效地增加通信距離和抗干擾能力。CAN 總線物理層接口電路如圖2所示，隔離器把單片機的TXD、RXD與PCA82C250的TXD、RXD分別連接，然后把PCA82C250的CANH和CANL腳分別接到CAN 總線的CANH和CANL上。
3 MultiCAN模塊及網關功能實現
3.1 MultiCAN模塊[4]
本方案采用XC2267單片機，該單片機MultiCAN模塊擁有5個CAN節點和128個信息對象。本方案只使用其中4個CAN節點,每個節點都連接獨立的CAN收發器，構成CAN通道。在MultiCAN模塊中，每個CAN節點可以被獨立地配置,且每個節點所在的CAN總線波特率可以不同。
利用該模塊的Gateway模式可方便地實現CAN網關功能，完成不同CAN總線上的數據交換[5]。這個過程無需CPU參與，有效減輕了CPU負荷，而使硬件承接了更多的工作量，改進了CAN網關設備的實時性能。
網關模式以信息對象為基礎，在該模式下，數據在2個信息對象之間傳遞，從而實現信息對象所隸屬的CAN節點之間的數據交換。利用信息對象之間的交換機制可以在任意2個CAN節點之間建立起網關,通常需要指明信息對象的具體傳輸方向（接收或發送）。
該單片機MultiCAN模塊擁有多達128個信息對象,所有的CAN節點共享有這些信息對象，每個對象都可獨立地分配給MultiCAN模塊內任1個CAN節點。每個CAN節點都有1個相應的雙向信息對象列表，通過這個列表來管理該節點的信息對象，每個CAN節點只能把CAN信息儲存在位于自身列表中的信息對象中。
3.2 CAN網關軟件設計
3.2.1 PC端網關配置軟件
利用MFC編寫PC端網關配置軟件。PC機通過異步串行通信接口連接到網關設備，對其進行配置，配置即時生效。其配置界面如圖3所示。
Visual C++提供了一種好用的ActiveX控件MSComm(Microsoft Communications Control)來支持應用程序對串口的訪問，在應用程序中插入MSComm控件后,可以方便地通過PC機串口實現數據收發。
在PC端網關配置軟件里配置串口、網關通道使能、網關路由、驗收過濾器等內容，然后點擊“下載到網關設備”按鈕，完成配置工作。
3.2.2 MultiCAN模塊初始化
在網關設備接收到來自串口的配置數據后，解析該配置數據，隨后啟動單片機MultiCAN模塊初始化，主要包括CAN節點初始化和信息對象初始化。
CAN節點初始化的主要任務有:將單片機對應引腳定義為CAN輸入/輸出引腳、定義通信波特率，根據接收到的配置信息在信息對象列表內增加信息對象。
信息對象初始化的主要任務有：配置信息對象屬性、ID、幀類型、優先級、定義數據長度、數據傳輸方向，同時需要配置屏蔽寄存器,以決定信息對象的濾波方案。
在初始化時，需要注意對節點控制寄存器NCR的CCE和INIT位域的置位和復位設置，以及信息對象控制寄存器MOCTRn的MSGVAL位域的置位和復位設置。
3.3 網關數據交換過程
接收數據幀的網關方稱為“源”，通過網關發送數據幀的網關方，稱為“目標”。網關數據交換過程如圖4所示。
首先經過接收過濾后，目標信息對象由源信息對象MOFGPRn寄存器內CUR位域尋址。源信息對象MOFCRn寄存器的位域IDC、DLCC、DATC分別控制是否復制所接收數據幀的ID、數據長度、數據字節到目標信息對象中，位域GDFS決定在完成數據復制過程之后，是否置位目標信息對象的發送請求標志。到達源節點的匹配數據幀，被自動復制到目標信息對象中。在復制數據幀之后，目標信息對象的TXRQ、NEWDAT、RXPND被置位，網關源方接收的數據幀自動在目標方上發送，完成網關數據交換過程。
3.4 CAN網關功能測試
德國IXXAT公司的USB-to-CAN compact是一種經濟型智能接口，是標準的USB-CAN接口板卡。配合CanAnalyser分析軟件便成為一種高效、便捷、靈活的CAN應用領域分析和開發工具。
本CAN網關設備應用基于CANopen協議的某監控系統。經測試，該網關設備可及時轉發CANopen協議的SDO、PDO、NMT、Heartbeat消息等報文，網關通信狀況運行良好,設備符合CAN規范2.0A(11位CAN標識符)和2.0B（29位CAN標識符），可用于各種不同的高層CAN協議:CANOpen、SDS、J1939、DeviceNet或其他定制的協議。
與其他類似網關設計不同[6]，在網關某一通道接收CAN信息之后，并沒有產生MCU中斷，無需MCU做出路由判斷和轉發處理。整個接收和轉發過程中，延時較短，提高了網關運行速度和轉發速率。
本設計采用Infineon XC2000系列單片機，可實現多個CAN網絡的連接。該網關具有4個通信端口，可迅速增加節點數目。因此在提供自由的布線方式的同時，也解除了系統總線上CAN收發器最大節點數驅動限制。結合PC端網關配置軟件的使用，可以快速配置相應的CAN路由功能和信息過濾器。每個端口還具備檢測總線活動功能及總線故障指示燈，方便觀察CAN總線網絡工作狀態。
參考文獻
[1] 吳志紅,朱元,王光宇.英飛凌16位單片機XC164CS的原理與基礎應用[M].上海:同濟大學出版社,2006.
[2] Infineon Technologies AG. XC2200 derivatives 16/32-bit single-chip microcontroller,user’s manual version 2.1[M]. 2008.
[3] 吳志祥.基于Infineon單片機的CAN智能節點的研究與應用[J].儀表技術,2008(2)：21-23.
[4] Infineon Technologies AG. XC2000 easy kit board manual version3.0[M]. 2008.
[5] Infineon Technologies AG.Ap29005_ MultiCAN CAN-gateway functionality witout CPU interaction[M]. 2007.
[6] 周建華,李剛炎,胡劍. 客車網絡控制中CAN/CAN網橋設計[J].微計算機信息,2006,22:4-6.