CN101741765A - 车载网关 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种车载网关，包括一以太网控制芯片，一微处理器，所述微处理器包括以太网接口、一个或多个通用异步收发器、多个串行外围设备接口；以太网控制芯片一端同以太网相连，另一端通过通用处理器接口同所述微处理器的以太网接口相连。该车载网关可实现车载网络的Internet化，简单易行。
Description
技术领域
本发明涉及网络通信技术，特别涉及一种将车载网络与互联网连接的车载网关。
背景技术
在汽车和互联网日益普及的今天，有很多汽车厂商提出了网络汽车的概念，世界很多知名汽车厂商也推出了很多基于网络的概念车，汽车不再单纯是一个交通工具，而是一个集交通、娱乐、通讯、办公于一体的工具，其组成具体包括：1.发动机和动力传动集中控制系统，2.底盘综合控制和安全系统，3.智能车身电子系统，4.通讯与信息、娱乐系统，这种网络汽车的优越性具体表现在：1.便于与外界实时沟通，2.娱乐性更强，3.可以进行在线故障查询和诊断，查找故障更容易，4.可以通过互联网进行远程控制，安全性更高。
目前，全世界有多达40多种车辆网络标准，有控制区域网CAN(Controller Area Network)、局部互联协议LIN(Local InterconnectProtocol)、高速容错网络协议FlexRay、用于汽车多媒体和导航的MOST(Media Oriented System Transport，媒体定向系统传输)，以及与计算机网络兼容的蓝牙、无线局域网等无线网络技术。
按照数据传输速率划分，车载网络可分为Class A、Class B、ClassC三个级别。Class A的数据速率通常低于20Kbps，如LIN，主要用于车门控制、空调、仪表板。Class B的数据速率为10Kbps～125Kbps，如CAN(ISO 11898)，主要是事件驱动和周期性的传输。Class C的数据速率为125Kbps～1Mbps，如CAN(ISO898)，主要用于引擎定时、燃料输送、ABS等需要实时传输的周期性参数。更高传输速率的MOST和FlexRay主要适用于音视频数据流的传输。
汽车通信网络还可以划分为四个不同的领域，车身控制系统、高安全的线控系统、低端控制系统和娱乐信息系统，每个领域都有其独特的要求。
CAN(Controller Area Network)总线是德国Bosch公司从20世纪80年代初，为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换问题而开发的一种串行数据通信协议。它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1Mbps。
对于车内不需要CAN这样高速率和高安全的通信，本地互联网络(LIN)就是为适应这类应用而设计的低成本解决方案。LIN(Local InterconnectNetwork)是一种应用于汽车中的分布式新型低成本串行通信总线，作为CAN总线的辅助网络或子网络，专门应用于低端系统。LIN是单一主机系统，不但降低了硬件成本，而且在软件和系统设计上也能更容易地兼容其它网络协议，比如CAN。
FlexRay总线是一种高速网络，由FlexRay联盟为高速通信所制订，最初是作为电动控制(x-by-wire)应用的通信协议被提出的。从技术上讲FlexRay作为下一代汽车网络协议，提供了充足的带宽、可靠性和实时响应能力，以实现线控应用。该标准已开始商用并将被越来越多的汽车制造商采用，但其高成本因素决定了FlexRay在一定的时间内只能定位于高端汽车的应用。
车内除了嵌入式控制系统以外，还有诸如媒体播放器、导航系统、无线通信系统以及其他多种信息娱乐设备，这些设备之间的互连需要更高速的通信协议。媒体导向系统传输协议(MOST)是目前车载信息娱乐系统普遍接受的高速通信协议。MOST数据可分为同步传输数据和异步传输数据，具有很大的灵活性——同步数据可直接用于音视频设备，异步数据可用于传输其它数据包，如导航地图数据等。MOST还定义了应用层，包括MOST设备、功能块、功能函数以及参数格式等等，这些协议可以确保各个厂家生产的设备具有MOST互联性，也有利于车内信息娱乐设备的及时更新换代。
经查阅资料和文献，目前还未出现LIN网络、CAN网络、MOST网络与Internet之间的连接，前两种网络主要在工业现场用到并且以局域网的形式将各模块节点互相联系在一起，而后一种网络主要用于车身娱乐系统，是相对独立的一个模块。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种车载网关，该车载网关可实现车载网络的Internet化，简单易行。
为解决上述技术问题，本发明的车载网关，包括一以太网控制芯片，一微处理器，所述微处理器包括以太网接口、一个或多个通用异步收发器、多个串行外围设备接口；以太网控制芯片一端同以太网相连，另一端通过通用处理器接口同所述微处理器的以太网接口相连。
还可以包括一LIN总线收发器，所述LIN总线收发器带通用异步收发器接口，通过该接口接所述微处理器的通用异步收发器，另一端接LIN网络总线。
还可以包括一CAN总线控制器，一CAN总线收发器，所述CAN总线控制器带串行外围设备接口，通过该串行外围设备接口同所述微处理器的一串行外围设备接口相连，另一端通过所述CAN总线收发器同CAN网络总线相连。
还可以包括一MOST总线控制器，一MOST总线收发器，所述MOST总线控制器带串行外围设备接口，通过该串行外围设备接口同所述微处理器的一串行外围设备接口相连，另一端通过所述MOST总线收发器同MOST网络总线相连。
本发明的车载网关，利用现有的以太网控制芯片、微处理器以及总线控制器、总线收发器，实现了汽车车载网络同互联网的连接，开发方便，简单易行。
附图说明
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明的车载网关一实施例的硬件结构图；
图2是本发明的车载网关一实施例的软硬件开发平台；
图3是本发明的车载网关的系统软件构架图。
具体实施方式
本发明的车载网关的一实施方式如图1所示，包括一以太网控制芯片，一微处理器，所述微处理器包括以太网接口、一个或多个通用异步收发器(UART)、多个串行外围设备接口(SPI)；以太网控制芯片一端同以太网相连，另一端通过通用处理器接口同所述微处理器的以太网接口相连；还包括一LIN总线收发器，一CAN总线控制器，一CAN总线收发器，一MOST总线控制器，一MOST总线收发器；所述LIN总线收发器带UART接口，通过该接口接所述微处理器的通用异步收发器，另一端接LIN网络总线；所述CAN总线控制器带串行外围设备接口，通过该串行外围设备接口同所述微处理器的一串行外围设备接口相连，另一端通过一CAN总线收发器同CAN网络总线相连；所述MOST总线控制器带串行外围设备接口，通过该串行外围设备接口同所述微处理器的一串行外围设备接口相连，另一端通过一MOST总线收发器同MOST网络总线相连。
一实施例如下。
采用具有2.4.18内核版本的Linux操作系统，具有ARM9内核的微处理器芯片，具有以太网接口的以太网控制芯片，并且采用具有可以在Linux和Windows之间实现交叉编译Fedora上位机操作系统，为了实现Debug的功能，采用了NFS(Network File System)网络文件系统实现在线调试。
微处理器MPU采用Samsung公司的S3C2410。该处理器基于ARM920T内核，采用5级流水线和哈佛结构，是高性能和低功耗的硬宏单元。主频高达203MHz；扩展总线最大频率100MHz，32位数据，27位外部地址，集成三个UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器，系统中用的是UART1)，两路SPI(Serial Peripheralinterface，串行外围设备接口，系统中用的SPI0、SPI1)，10M/100M以太网接口。
以太网控制芯片采用DM9000，DM 9000是一块全集成的单片快速MAC(媒体访问控制器，Media Access Controller)，带通用处理器接口，4K双字节DRAM，提供10M/100M的以太网接入。
LIN总线收发器采用TJA1020，适用的波特率可从2.4到20Kbit/s，其极低的电磁发射和高抗电磁干扰性适应了汽车网络应用中的各种环境要求，其低斜率模式可进一步降低电磁发射，在睡眠模式下电流消耗极低，可实现本地或远程唤醒。
CAN总线控制器采用MCP2510，CAN总线收发器采用PCA82C250。MCP2510是MT公司生产的一种带SPI接口的CAN控制器，主要用于简化CAN接口应用设计，它支持CAN技术规范V2.0A/B，并能够发送接收标准的和扩展的信息帧，同时具有接收滤波和信息管理的功能。为了进一步提高系统的抗干扰能力，在CAN控制器引脚CANTX、CANRX和收发器TJA1050之间并不是直接相连，而是通过由高速光耦构成的隔离电路后再与TJA1050相连，这样就可以很好的实现总线上各节点的电气隔离。这部分增加了节点的复杂性，但它却提高了节点的稳定性和安全性。
MOST网络接口和总线控制器(NIC)采用LogiCOREIP，MOSTNICLogiCORE允许直接读取实时MOST同步通道数据，以实现更高效、更灵活的FPGA并行处理性能。MOST收发器采用TJA1050，TJA1050具有电磁辐射低、防短路、不上电时对总线无影响等特点。
该实施例中，车载网关开发软硬件平台的搭建采用了标准嵌入式开发模式即宿主机+目标机十交叉编译环境+远程NFS(Network File System，一种分布式文件系统)调试。软件开发平台采用了Linux内核版本为2.4.18，其源代码的开放性和系统的可裁减性极大的方便了开发且节省了大量的费用，另外一个极大的开发方便就是Linux早已经被移植到了ARM硬件平台，Linux微内核直接提供网络支持和典型的串行口驱动，但没有CAN特殊设备及MOST特殊设备的驱动，需要自己编写，利用Linux的模块化特性，可以很方便的把我们自己编写的CAN设备驱动函数及MOST设备驱动函数动态加载或卸载，驱动函数为上层的应用程序提供了接口函数，所有的程序在宿主机编写编译通过后，通过NFS在目标机运行调试也通过后，可以通过把二进制文件烧写进flash，以后就可以直接适用这些设备了。
网关的主要作用是不同架构，不同电气特性网络之间的数据转发(本系统中主要是网口数据与Lin网络数据、CAN网络数据、MOST网络数据之间的转发)，软件设计的主要工作是在Linux系统之上开发串口即UART的收发程序、CAN控制器的驱动程序、CAN网络数据的收发程序、MOST控制器的驱动程序、MOST网络数据的收发程序、INTERNET网络数据的收发程序。
Lin网数据处理程序主要功能就是通过串口即UART下发来自以太网口的Lin网数据，其实就是个Linux环境下的串口发送程序，其主要流程为打开串口设备文件，声明一个termios类型的变量用于设置串口属性(c_iflag，cesoflag，c_cflag，clfl ag)，并用函数tcsetattr函数设置串口工作在该属性之下，使用cfsetispeed，cfsetospeed设置串口通信波特率，将网口传输过来的数据依照我们自己定义的含义转换成标准的Lin数据通信格式(起始域0x00，同步域0x00，地址域0xc0等等视节点数而定)，数据域0x00，0xf，校验域0x00)，通过串口的write)函数发送到Lin网的节点。输入输出完毕关闭串口。
CAN网数据处理程序：
(1)CAN设备驱动程序，即CAN控制器的驱动程序，编写大体流程如下：
一.定义CAN控制器MCP2510和SPI接口的各个寄存器，并ioremap函数对其指定；
二.初始化SPI接口(对其各个寄存器赋值(波特率设置，模式选择，设置片选激活MCP2510))；
三.编写通过SPI口对CAN控制器MCP2510读函数，写函数，位修改函数，状态读函数，复位函数，请求发送函数；
四：.初始化CAN控制器(调用三编写的函数对控制器初始化)
(模式选择，波特率设置，屏蔽寄存器设置，滤波寄存器设置))。
五：.编写结构file-operations里面fops里面各个函数指针所指的具体函数(read，write，ioctl，open，release)；
六.调用模块人口点函数module_init(MCP2510初始化函数)，调用模块卸载函数modulee xit(MCP2510退出函数)；
(2)CAN数据帧发送函数，即CAN网络数据的收发程序
发送函数主要功能是将网口接收的CAN数据转换成CAN扩展帧数据然后调用CAN设备驱动程序的发送函数下发。
MOST数据帧发送函数，即MOST网络数据的收发程序。发送函数主要功能是将网口接收的MOST数据转换成MOST扩展帧数据然后调用MOST设备驱动程序的发送函数下发。
网口处理程序，即INTERNET网络数据的收发程序。主要的功能是服务器端数据接收，大体流程为：调用Socket函数创建一个数据包类型的套接字，调用函数bind将该套接字与该网关功能的端口号绑定，然后调用函数recvfrom接收来自客户端的数据包，该段程序设置了共享内存区以解决三个程序，即接收，发送和处理三个程序的数据共享问题和接口速度不一致的数据缓冲问题。
本发明的车载网关，利用现有的以太网控制芯片、微处理器以及总线控制器、总线收发器，实现了汽车车载网络同互联网的连接，开发方便，简单易行。
Claims (6)
1.一种车载网关，其特征在于，包括一以太网控制芯片，一微处理器，所述微处理器包括以太网接口、一个或多个通用异步收发器、多个串行外围设备接口；以太网控制芯片一端同以太网相连，另一端通过通用处理器接口同所述微处理器的以太网接口相连。
2.根据权利要求1所述的车载网关，其特征在于，还包括一LIN总线收发器，所述LIN总线收发器带通用异步收发器接口，通过该接口接所述微处理器的通用异步收发器，另一端接LIN网络总线。
3.根据权利要求1所述的车载网关，其特征在于，还包括一CAN总线控制器，一CAN总线收发器，所述CAN总线控制器带串行外围设备接口，通过该串行外围设备接口同所述微处理器的一串行外围设备接口相连，另一端通过所述CAN总线收发器同CAN网络总线相连。
4.根据权利要求2所述的车载网关，其特征在于，还包括一CAN总线控制器，一CAN总线收发器，所述CAN总线控制器带串行外围设备接口，通过该串行外围设备接口同所述微处理器的一串行外围设备接口相连，另一端通过所述CAN总线收发器同CAN网络总线相连。
5.根据权利要求1至4任一项所述的车载网关，其特征在于，还包括一MOST总线控制器，一MOST总线收发器，所述MOST总线控制器带串行外围设备接口，通过该串行外围设备接口同所述微处理器的一串行外围设备接口相连，另一端通过所述MOST总线收发器同MOST网络总线相连。
6.根据权利要求1至4任一项所述的车载网关，其特征在于，所述微处理器为Samsung公司的S3C2410。
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