CN101478460B - 一种FlexRay-CAN通信网关及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种FlexRay-CAN通信网关及实现方法，基于高性能微处理器，一方面可接收FlexRay协议数据，经协议转换、封装等处理后以CAN协议发送至CAN总线设备，也通过RS232接口发送至上位计算机；另一方面可接收CAN协议数据，经协议转换、封装等处理后以FlexRay协议发送至FlexRay总线设备，或通过RS232接口发送至上位计算机。实现基于微控制器的FlexRay总线与CAN总线的协议转换，应用范围广泛、功耗低、可靠性高；功能强大、性价比高；实时性强、数据传输速度快、效率高；可面向特殊应用，定制灵活。

Description

一种FlexRay-CAN通信网关及实现方法 

技术领域

本发明涉及一种网络通信协议转换技术，特别涉及一种FlexRay-CAN通信网关及实现方法。 

背景技术

在电力、石油、化工、冶金、钢铁、交通等各种行业，数据通信网络必不可少。现场各类信号通过数据采集系统连续采集和处理后，需要通过某种方式传送至上位监控系统。CAN总线是目前应用较为广泛的现场总线通信技术之一，FlexRay高速总线作为新兴的通信技术，提供更快的通信速率、更大的带宽和更高的传输可靠性。 

FlexRay是继CAN、LIN等车用总线之后，由BMW、Daimler、Motorola等公司开发的一种灵活且功能强大的网络通讯协议。该协议不仅能简化通信系统架构，还可使电子单元变得更加稳定和可靠，符合未来先进高速控制应用的需要。同时，FlexRay还支持分布式控制系统，并可对CAN、LIN等网络标准进行补充。因此，研究FlexRay并对其拓扑结构进行优化，对发展网络系统大有裨益。 

FlexRay总线系统作为新一代总线技术，它的通讯机制特点表现在以下几个方面： 

(1)带宽方面：FlexRay带宽不受协议机制的限制，可进行最快10Mbps速率的通信，当采用双通道冗余系统时，可达20Mbps的速率，远大于CAN总线的通信速率。

(2)可量测性：FlexRay可采用单、双通道两种模式，并可实现混合配置。 

(3)灵活性：FlexRay可采用多种网络拓扑模式，包括从点对点到无源总线拓扑和有源星形拓扑。而物理层设备可选用电缆或光缆，同时其通讯数据包括静态段和动态段两种，FlexRay的帧ID是和时隙数对应的，也表示了发送方地址。以上都是FlexRay灵活的通讯机制的表现。 

(4)确定性：FlexRay静态段严格采用基于时间触发的总线访问方式，而动态段可采用有限确定性的灵活时间触发的总线访问方式。 

(5)安全性：FlexRay含有总线监控，它提供分布的时钟同步，同步过程包括对相位偏差和频率偏差纠正，还包括帧头和帧尾的CRC校验过程。 

可见，FlexRay总线系统的容错能力和分时复用能力能够满足电子组件对更高的数据率、确定性的行为和高可靠性的要求，可以为主要的安全应用提供可靠而及时的信息。此外，FlexRay能够把所有系统连接在一起，作为一个整体而不是分散的多个系统工作。因此，FlexRay总线系统具有独特的性能优势，并在很大可能上将逐渐取代CAN而成为未来汽车及工业测控领域的主流技术。 

FlexRay网络结构一般有4种形式，即总线式、星形网，星形总线混合式以及多个星形串接式，总线根据实际需要可以有多个节点。由于结构多样、复杂，因此，对各种网络拓扑结构进行比较，并根据其优缺点进行优化，可以很大程度地提高系统的速度和稳定性，而且能够降低使用成本。 

发明内容

本发明针对FlexRay总线通信协议与CAN接口通信协议不能相互兼容的问题，提出了一种FlexRay-CAN通信网关及实现方法。该网关能够通过FlexRay总线协议或CAN总线协议双向收发数据，实现了两种通信协议的转换功能。此外，网关还实现了A/D数据采集功能，可直接采集现场0-5V的模拟量数据，并可通过RS232接口与上位监控计算机相连，向上传送现场数据。可广泛用于汽车、电力、化工等工业控制领域。 

本发明的技术方案为：一种FlexRay-CAN通信网关，包括FlexRay通信接口电路、CAN通信接口电路、A/D接口电路，还包括微控制器、RS232接口电路、BDM电路、电源电路、复位电路、LED显示电路以及键盘电路，FlexRay通信接口协议数据和CAN通信接口协议数据均进入微控制器，A/D接口电路将现场数据转换后输入微控制器，微控制器处理信号后输出通过FlexRay通信接口电路和CAN通信接口电路转发，同时也可以通过RS232接口电路将数据传送至上位监控计算机，由上位机做统一处理，电源电路给微控制器提供专门的电源，保证微控制器工作稳定，复位电路和键盘电路为操作输入给微控制器指令工作，LED显示电路为操作输出指示，BDM电路协助微控制器工作。 

所述微控制器采用512kB片内FLASH，32kB片内RAM的16位高性能微控制器芯片MC9S12XF512。 

所述微控制器可通过RS232接口与上位计算机进行通信。 

一种FlexRay-CAN通信网关实现方法，包括以下步骤： 

1)通信网关主函数是程序首先执行的一个函数，实现硬件和软件的初始化； 

2)通信网关由六个用户应用模块构成：系统调度模块、FlexRay收发模块、CAN收发模块、A/D采集模块、键盘输入模块和串口收发模块，所有模块均以中断方式实现，设置系统调度模块中断优先级最高，FlexRay收发模块和CAN收发模块的中断优先级次之，A/D采集模块、键盘输入模块和串口收发模块中断优先级最低； 

3)系统每隔75ms对各个模块进行一次调度，根据优先级进行中断处理； 

4)进入中断后根据判断指令执行任务后跳出中断等待调度。 

本发明的有益效果在于：本发明FlexRay-CAN通信网关及实现方法，可广泛适用于汽车、电力、石油、化工、冶金、钢铁、交通等行业，解决了工业现场FlexRay通信协议与CAN通信协议的转换，并通过RS232接口将数据传送到上位监控计算机，由上位机做统一处理后，用于设备参数监测及作为设备控制的依据。 

附图说明

图1本发明FlexRay-CAN通信网关结构示意图； 

图2本发明FlexRay-CAN通信网关功能任务图； 

图3本发明FlexRay-CAN通信网关FlexRay接口及CAN接口电路示意图； 

图4本发明FlexRay-CAN通信网关实现方法程序流程图； 

图5本发明FlexRay-CAN通信网关实现方法中FlexRay收发程序流程图； 

图6本发明FlexRay-CAN通信网关实现方法中CAN收发程序流程图。 

具体实施方式

如图1所示FlexRay-CAN通信网关结构示意图，其硬件平台的微控制器1采用512kB片内FLASH，32kB片内RAM的16位微控制器MC9S12XF512，相应配备FlexRay通信接口电路6、CAN通信接口电路5、RS232接口电路4、BDM电路2、电源电路9、复位电路8、LED显示电路3、键盘电路7以及A/D接口电路10。FlexRay通信协议数据和CAN通信协议数据均进入微控制器1，A/D接口电路10将现场的数据转化处理输入微控制器1，微控制器1处理后通过FlexRay通信接口电路6和CAN通信接口电路5转发，同时也可以通过RS232接口电路4将数据传送至上位监控计算机，由上位机做统一处理。电源电路9为微控制器1提供专门的电源，保证微控制器1工作稳定，复位电路8和键盘电路7为操作输入给微控制器指令工作，LED显示电路4为操作输出，BDM电路2协助微控制器工作。 

如图1所示，一方面，FlexRay-CAN通信网关通过CAN通信接口连接各类使用CAN总线的控制子系统。由于工业现场越来越多的采用CAN总线技术，所以一个兼容CAN总线的标准的接口必不可少。另一方面，FlexRay-CAN通信网关通过FlexRay通信接口连接FlexRay通信控制器，而FlexRay通信控制器起到全系统的控制作用，这样可以构建一个FlexRay高速总线控制系统。除此之外，FlexRay-CAN通信网关还具备RS232接口，可以与上位监控计算机或其他总线设备通信，上述这些通信接口使用的接口电路与通信协议是完全不同的，FlexRay-CAN通信网关起到了异构系统互联和通信协议转换的关键作用。 

如图2所示系统功能任务图，系统采用中断来完成各模块的调度，简化了应用系统的设计，使整个系统结构简洁，使复杂的应用程序层次化。整个 系统的软件设计多个用户应用模块构成，系统主函数是程序首先执行的一个函数，主要实现系统的硬件和软件初始化。为了完成系统实时的各种功能，本发明的应用程序根据各个任务的重要性和实时性，把程序分成六个具有不同的中断优先级，包括系统调度模块、FlexRay收发模块、CAN收发模块、A/D采集模块、键盘输入模块和串口收发模块。其中系统调度模块中断优先级最高，FlexRay收发模块、CAN收发模块中断优先级次之，A/D采集模块、键盘输入模块和串口收发模块中断优先级最低。高中断优先级的模块可以抢占低中断优先级的工作过程。在设计中，通过对延时参数的设置，系统每隔75ms对各模块进行一次调度。 

如图3所示，本发明采用的MC9S12XF512微控制器集成了FlexRay控制器，因此只需采用TJA1080总线驱动器即可。MC9S12XF512与TJA1080之间的主要连接为信号收发线、信号收发使能线、芯片使能线以及其他功能线。TJA1080的外围电路主要由使该芯片正常工作所需的电阻、电容等。 

如图3所示，本发明采用的MC9S12XF512微控制器集成了CAN控制器，因此只需采用系统基本芯片MC33742。MC9S12XF512与MC33742之间的主要连接为信号收发线和中断信号线。MC33742的外围电路主要由使该芯片正常工作所需的电阻、电容等。此外，MC33742可提供+5V的直流电压，为系统供电。 

如图4所示系统总程序流程图，首先完成系统初始化，设置系统初始参数。然后逐个判断是否进行FlexRay收发数据、是否进行CAN收发数据、是否进行RS232收发数据以及是否进行数据采集，最后判断调度计数器是否达到最大值，达到则清零，否则保持现有值。计数器累加后转到下一个系统调度周期。

如图5所示FlexRay收发程序流程图，根据响应的中断类别来决定是发送还是接收数据。发送数据时需要将数据格式转换为FlexRay协议格式，发送后需要确认是否正确发送。接收数据时需要将FlexRay协议格式转换为一般格式，并对数据进行验证。发送或接收完成后需要清除FlexRay中断，同时熄灭相应的LED灯来显示收发过程已经完成。 

如图6所示CAN收发程序流程图，初始化完成后，根据响应的中断类别来决定是发送还是接收数据。发送数据时将数据转换为CAN协议格式，发送后需要确认是否正确发送。接收数据后需要将CAN协议格式转换为一般格式，并对数据进行验证。发送或接收完成后需要清除CAN中断，同时熄灭相应的LED灯来显示收发过程已经完成。

Claims (4)

1.一种FlexRay-CAN通信网关，包括FlexRay通信接口电路、CAN通信接口电路、A/D接口电路，其特征在于，还包括微控制器、RS232接口电路、BDM电路、电源电路、复位电路、LED显示电路以及键盘电路，FlexRay通信接口协议数据和CAN通信接口协议数据均进入微控制器，A/D接口电路将现场数据转换后输入微控制器，微控制器处理后通过FlexRay通信接口电路和CAN通信接口电路转发，同时也可以通过RS232接口电路将数据传送至上位监控计算机，由上位机做统一处理，电源电路给微控制器提供专门的电源，保证微控制器工作稳定，复位电路和键盘电路为操作输入给微控制器指令工作，LED显示电路为操作输出指示，BDM电路协助微控制器工作。

2.根据权利要求1所述FlexRay-CAN通信网关，其特征在于，所述微控制器采用512kB片内FLASH，32kB片内RAM的16位高性能微控制器芯片MC9S12XF512。

3.根据权利要求1所述FlexRay-CAN通信网关，其特征在于，所述微控制器可通过RS232接口与上位计算机进行通信。

4.一种FlexRay-CAN通信网关实现方法，包括以下步骤：

1)通信网关主函数是程序首先执行的一个函数，实现硬件和软件的初始化；

2)通信网关由六个用户应用模块构成：系统调度模块、FlexRay收发模块、CAN收发模块、A/D采集模块、键盘输入模块和串口收发模块，所有模块均以中断方式实现，设置系统调度模块中断优先级最高，FlexRay收发模块和CAN收发模块的中断优先级次之，A/D采集模块、键盘输入模块和串口收发模块中断优先级最低；

3)系统每隔75ms对各个模块进行一次调度，根据优先级进行中断处理；

4)进入中断后根据判断指令执行任务后跳出中断等待调度。

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