基于LPC1768的车载以太网网关设计

张宝宝，张友兵，兰建平，周海鹰

（湖北汽车工业学院 汽车工程师学院，湖北 十堰442002）

目前CAN总线以其性价比优势在整车通信市场上占据了较大的份额，它既可实现远距离通信，也能进行多个节点之间的相互通信［1］。随着自动驾驶技术的迅速发展，车用传感器数量不断增加，对应的控制节点也越来越多，对整车的数据传输提出了更高的要求，CAN 总线在信息传输数量和实时性方面面临巨大的挑战［2］。以太网表现出的较高通信速率、组网方便灵活、安全可靠和实时等优势，得到汽车行业者的青睐［3］。CAN总线通信网络应用广泛，短时间内以太网不能完全将其取代，需要经历以太网通信网络与传统车载通信网络并存的过渡阶段。根据车辆控制模块传输信息的特点，在信息量小、实时性要求低的控制模块之间传输采用CAN总线通信；而在信息传递量大、实时性要求高的控制模块之间采用以太网通信［4］。CAN 总线和以太网之间协议不兼容，因此设计基于LPC1768的车载网关，实现CAN 总线协议和以太网协议之间的相互转化，保证其安全性、可靠性和实时性等。

1 车载以太网网关

车载以太网采用单对非屏蔽双绞线进行通信，既解决了普通以太网的时延问题，又能适用于车载的恶劣工作环境［5］。普通以太网对应的OSI 参考模型有7层，而车载以太网通常被认为有4层：应用层、传输层、网络层、数据链路层。车载以太网中可实现SOME/IP 面向服务的通信，弥补了CAN 总线面向信号的不足，同时还可实现基于IP 协议的DOIP 诊断，具备未来自动驾驶时代更高性能的潜力。目前车载以太网在汽车的动力域、底盘域、安全域和信息娱乐域都有应用，适用场景比较多，但由于未完全普及，成本比较高［6］。

1.1 汽车整体架构描述

随着智能驾驶技术的迅速发展，汽车应用传感器和电气设备越来越多，使用的总线通信网络各种各样。为了控制总线长度和降低ECU 数量，普遍采用以域控制器为主的开放式汽车整体架构，如图1 所示。将汽车电子系统根据功能划分为若干个功能块，每个功能块内部的系统架构以域控制器为主导进行设计，中央网关进行信息交互。车载网关相当于信息枢纽，实现高低速CAN、LIN、FlexRay和以太网等不同协议通信网络之间的信息交互，在原有传统总线通信的基础上增加以太网的通信接口，满足整车的通信网络架构要求。车载网关除了进行通信协议的转换之外，还具有程序在线更新、整车通信网络诊断等功能［7］。

图1 开放式汽车整体架构

1.2 车载网关系统架构设计

车载网关通过单片机对车载局域网的信号进行处理，达到信息共享和实现数据的无差错传输，保证安全驾驶。车载网关由硬件电路和应用程序2个部分组成，实现CAN总线通信协议和以太网协议的相互转换，进行CAN 总线和以太网间的双向通信［8］。车载网关系统框图如图2 所示。CAN 收发模块PCA82C251 接收CAN 总线上的数据，转换为以太网通信协议数据后，通过以太网控制模块DP83848 上传到网络中；同时，以太网模块接收网络中的数据，转换为CAN 总线协议数据后，通过CAN收发模块将转换的CAN报文数据按照相应的时间周期下发到汽车的总线上。

图2 车载网关系统框图

2 车载网关的硬件设计

2.1 核心处理器介绍

车载网关采用NXP 公司的LPC1768 作为中央处理器，以ARM Cortex-M3为内核，通过AHB总线连接CPU 和CAN 控制模块、以太网控制模块的通信，可以进行更高更快的信息传输。处理器具有3级流水线和哈佛结构，操作频率可达100 MHZ，内置可嵌套的向量中断控制器（NVIC），支持多种中断方式，并且能实现低功耗。LPC1768具有含系统编程（ISP）和应用编程（IAP）功能的512 kB 片上Flash 存储器、64 kB数据存储器、以太网MAC、8通道通用DMA控制器、2条CAN通道、多个通用定时器和70余个通用I/O管脚等外设组件，满足车载网关的功能需求。

2.2 CAN通信电路设计

CAN 通信电路如图3 所示，主要由CAN 收发器驱动模块和电路隔离模块构成。CAN 收发器采用NXP 公司的PCA82C251，在CAN 控制器和物理传输线之间起逻辑电平与差分电压信号转换的作用，接收来自CAN总线的差动信号，同时具有一定的抗共模干扰能力。隔离模块采用ADI 公司的ADUM1201，运用iCoupler技术，体积小，应用灵活，基于电磁的隔离方法，性能优于其他光电隔离器件，实现了真正意义上的电气隔离，防止过流冲击损坏主芯片。同时电路配有NUP2105L 管,实现CAN 总线上的浪涌保护，可实现车辆复杂工作环境下的CAN总线通信。

图3 CAN通信电路

2.3 以太网通信电路设计

LPC1768芯片自带以太网模块，集成了介质访问控制层（MAC），支持10 Mb·s-1或100 Mb·s-1PHY设备，配有对应的8通道DMA控制器，通过标准RMII 接口连接外部PHY 芯片，能接收过滤，结合以太网通信电路，可实现车辆复杂工作环境下的以太网通信。以太网通信电路如图4所示。

图4 以太网通信电路

PHY芯片采用美国国家半导体（NS）公司生产的DP83848C 集成以太网控制芯片，该芯片鲁棒性好、集成度高、功耗低，支持10/100 Mb·s-1的以太网通信，配合RMII（精简的介质无关接口）标准接口，减少MAC至PHY接口的引脚数目，使设计简单灵活。同时，配有千兆以太网口HR911105A，内含有以太网变压器电路，实现阻抗匹配、信号整形、网络隔离，以及滤除网络和设备双方面的噪音，适用于车辆复杂的工作环境。

3 车载网关的软件设计

3.1 软件整体架构设计

文中主要实现CAN总线通信协议和以太网协议的相互转换，同时利用二次开发的BootLoader程序实现对网关应用程序的远程更新。软件由Boot-Loader程序和应用程序组成，其中应用程序分为协议转换、CAN 收发通信和以太网收发通信3 个部分。车载网关的软件设计框图如图5所示。

图5 软件设计框图

对车载网关进行ISP编程后，二次开发的Boot-Loader 程序被烧写到指定Flash 区域，用拨码开关将芯片P2.10引脚置为高电平。网关使用上电时，首先执行BootLoader 程序，初始化IAP 端口（网口），通过判断状态确定是否需要从IAP 端口更新应用程序，若需要更新则通过IAP命令将接收到暂存于SRAM 的应用程序Bin 文件数据写入到指定的Flash区域，更新完成后跳入到指定的Flash区域执行最新的应用程序；若不更新则直接跳入到指定的Flash区域执行之前的应用程序。跳转到应用程序后，利用LPC1768 的定时、中断等功能保证网络通信和数据的收发、协议的转换实时运行。执行系统的网络通信功能是在无操作系统的环境下通过移植LwIP协议栈达到减少内存占用的效果来实现的。主程序流程图如图6所示。

图6 主程序流程

3.2 协议转换设计

系统通过CAN 接收中断、以太网接收中断和定时器中断来实现数据的收发和协议转换。调用CAN 发送函数（CAN_send），将网络数据转换后的CAN 报文按照所设置的时钟周期下发到车辆的CAN总线上；调用UDP发送函数（Udp_send_data），将CAN数据转换后的网络数据UDP包发送到网络中。中断程序流程如图7所示。

通信过程中UDP 数据包的格式不固定，为了与CAN 报文帧有效无差错地相互转换，需要进行定义，如表1 所示，校验位是UDP 数据包在上层和下层被接收时进行验证，确保信息传递的安全性。

图7 中断程序流程

表1 UDP数据包格式

3.3 CAN通信软件设计

LPC1768 设计CAN 总线通信时，在应用程序的main 函数内依次调用CAN_setup 函数（设置CAN 控制器）、CAN_start 函数（启动CAN 控制器）、CAN_waitReady 函数（等待CAN 控制器就绪）、CAN_SetACCF 函数（初始化使能滤波选择）后，根据CAN接收中断和定时器中断调用CAN_recive函数和CAN_send 函数，实现CAN 报文的接收和发送。同时LPC1768提供512×32（2 kB）的滤波RAM空间，该RAM空间可以存放1024个标准标识符或512 个扩展标识符，填充好所需要滤波的标识符（ID 号）后，在调用CAN_SetACCF 函数时选择ACCF_ON参数，实现滤波功能。

3.4 以太网通信软件设计

在无操作系统下移植LwIP 协议栈，实现基于LwIP 协议栈的UDP 通信，达到网络通信的目的。UDP 是无连接的传输层协议，没有TCP/IP 协议的握手、确认等机制，实时性很好，可传输大批量数据。使用UDP 协议，编程接口时采用回调函数的方式，绑定对应的IP和端口号后，在接收到网络数据时调用LwIP 协议栈注册的回调函数UDP_recv，使编程大大简化。系统会为应用线程创建一个UDP 控制块，里面含有源端口号、目标端口号、源IP 地址、目标IP 地址和回调函数等信息，当收到UDP 数据时，控制块之间互相匹配，找到对应端口号，建立UDP 通信。为了UDP 通讯快速进入监听状态，需进行UDP服务器的初始化，源代码如下：

4 功能测试与验证

4.1 测试环境搭建

为了验证系统的可靠性，对车载网关进行测试验证。建立实验平台，利用周立功公司生产的USBCAN-2E-U模拟CAN总线上的节点，利用配套上位机软件CANTest 进行CAN 报文的收发。用网线将网关的以太网网口与电脑的网口相连，用网络调试助手模拟客户端进行UDP 数据包的接收和发送，用12 V直流电源对网关进行供电，建立通信回路。车载网关的测试平台如图8所示。

搭建起测试平台后，利用ping命令检测网络通信的连通情况。出现图9 所示界面表明网络通信正常，测试平台搭建成功，车载网关的IP 地址为192.168.1.60。

图8 车载网关的测试平台

图9 网络通信正常界面

4.2 功能验证

测试平台搭建成功后进行功能验证。依次打开CANTest软件和网络调试助手，在CANTest中选择对应的设备，连接成功后以100 ms 的时间间隔发送ID 为0x219的CAN 报文，帧数据为0x00,0x01,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07；在网络调试助手中设置本地IP 地址为192.168.1.10，网关IP 地址为192.168.1.60，端口号为4001，根据定义的UDP 数据包格式发送ID 为0x383 的UDP 数据包，下发周期为200 ms，数据为0x11,0x22,0x33,0x44,0x55,0x66,0x77,0x88。

CANTest显示界面如图10所示，模拟节点每隔200 ms 接收到ID 号为0x383、数据为0x11,0x22,0x33,0x44,0x55,0x66,0x77,0x88 的CAN 报文；网络调试助手显示界面如图11 所示，客户端接收到ID号为0x219 转换后的UDP 数据包，对应数据为0x00,0x01,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07，接收数据与转换前的发送数据相同。

图10 CANTest界面显示

图11 网络调试助手界面显示

经过多次数据测试，同时结合整车应用，对数据分析表明CAN报文数据与UDP数据包转换内容一致，下发周期与设定相同，说明车载以太网网关工作正常，稳定性、实时性和安全性高，满足功能要求。

5 结论

车载以太网网关通过器件选型和隔离、防浪涌等保护电路设计，保证其在复杂工况下稳定运行。开发BootLoader实现网关应用程序的远程更新，便于后期维护升级。网关能够准确实现以太网数据和CAN 总线数据的相互转换，有效解决了车载以太网不能与传统CAN总线直接通信的难题。