一种CANFD总线与TSN通信的交换装置及实现方法

技术领域

本发明涉及工业总线及工业互联网领域，特别涉及一种CAN FD总线与TSN(时间敏感网络)交换装置的架构及实现方法。

背景技术

CAN FD总线基于ISO 11898-1:2015标准，是CAN总线的升级版，广泛应用于车载网络。CAN FD通过增加可控制位速率和扩展数据域长度两种措施克服了CAN总线传输速率低、传输数据量少的缺点。随着工业现场控制对传输实时性和数据传输量的要求越来越高，CANFD的优势不再明显，因此通过网关将CAN FD节点接入到以太网中成为新的发展趋势。

时间敏感网络由AVB发展而来，是一项基于标准以太网的工业通信技术，该网络中允许周期性和非周期性数据在同一网络中传输，使得以太网具有确定性传输的优势。时间敏感网络的主要技术标准包括时钟同步、数据流调度策略以及TSN网络与用户配置。工业领域所有任务都是基于时间基准的，因此TSN首先解决网络中的时钟同步和延时计算问题，确保整个网络的任务调度具有高度一致性。时间敏感网络标准包括的IEEE 802.1AS时间同步规范是基于IEEE 1588 V2精准时钟同步协议发展而来的，提高网络时间同步精度。时间敏感网络的关键在于数据流调度机制，网络数据通过接收端口后进行帧滤波、流量计量、帧排队、帧抢占来保证高优先级流量的优先传输。

当前CAN FD接入以太网的实现方式主要是使用嵌入式网关，即MCU外连接口芯片的实现方法。在中国专利申请“数据转发方法、装置、可读存储介质及控制终端”(申请号：202110950794.8)中，采用嵌入式的控制终端运行程序代码实现TSN与CAN FD的报文接收、转换、缓存以及转发，但是不能保证数据传输的低延时和确定性。在中国专利申请“一种支持CAN FD和以太网的车联网终端”(申请号：201821591380.0)中，以NXP的spc574X系列芯片作为主控芯片，采用嵌入式的方案设计网关，接收的CAN FD报文需经过MCU处理后通过SPI或UART接口发送到以太网交换模块再进行转发，因此存在转发延迟较高、确定性不足的缺点。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种CAN FD(Controller Area Network with FlexibleData-Rate，具有灵活可变速率的控制器局域网)总线与TSN通信的交换装置与实现方法，通过数字电路的方式，实现CAN FD与TSN网络互联互通，在保证数据传输量的同时，利用TSN网络的优势增加了数据通信的时间确定性。

本发明提供一种CAN FD总线与TSN通信的交换装置与实现方法，与现有的嵌入式软件实现方法不同的是采用数字硬件电路的方法，以FPGA或者ASIC芯片的形式实现，具体采用以下方案实现：

一种CAN FD总线与TSN通信的交换装置与实现方法包括TSN封包模块、TSN解包模块、接收异步FIFO(First In First Out，先进先出)模块、发送异步FIFO模块、数据处理模块、采样同步模块、CRC模块及接收过滤模块，其中，所述TSN解包模块、发送异步FIFO模块、数据处理模块、采样同步模块依次进行电连接；所述采样同步模块、CRC模块与接收滤波模块、数据处理模块、接收异步FIFO模块、TSN封包模块依次进行电连接。

进一步地，所述的TSN解包模块用于对通过千兆介质无关接口(GMII接口)进入的以太网帧进行CRC(循环冗余校验)校验，并对以太网帧进行解析，将校验无误且虚拟局域网识别号(VLAN ID)符合的以太网帧的数据域有效载荷写入接收异步FIFO模块。

进一步地，所述的数据处理模块，在TSN解包模块数据写入接收异步FIFO模块完毕后从接收异步FIFO模块读取数据，经过处理后发送到CAN FD的发送端口。

进一步地，所述的采样同步模块，在数据处理模块将数据发送到总线端口后，通过总线接收端口对总线进行监测并反馈数据处理模块是否发送正确。

进一步地，所述的采样同步模块，当数据处理模块没有发送数据时，依然对总线进行监测并接收报文，将监测数据发送给数据处理模块。

进一步地，所述的数据处理模块将采样同步模块监测数据进行处理，并结合CRC模块的校验结果和接收过滤模块的过滤结果决定是否将数据写入发送异步FIFO模块。

进一步地，所述的CRC模块根据CAN FD报文结构对监测数据采取相应的CRC校验方式。

进一步地，所述的接收过滤模块对CAN FD报文的仲裁域字段进行过滤。

进一步地，所述的TSN封包模块从发送异步FIFO模块读取数据，并将所读取数据封装成TSN格式的以太网帧进行发送。

CAN FD总线中除帧起始的其他字段均封装在TSN帧格式的Payload中，通过TSN网络进行确定性传输。

本发明提供的CAN FD总线与TSN通信交换实现方法，采用数字硬件电路的方法，以FPGA或ASIC芯片的形式，将CAN FD总线的数据并入时间敏感网络TSN中，从而实现CAN FD总线与TSN通信的交换；包括如下步骤：

1)设计TSN解包模块，通过TSN解包模块接收TSN以太网帧；

以太网帧的帧结构包括7字节前导码、1字节帧起始符、6字节MAC目的地址、6字节MAC源地址、4字节VLAN标识符(VLAN Tag)、2字节帧长度、CAN FD协议报文(不含帧起始)以及4字节CRC校验码；

2)TSN解包模块对接收的符合VLAN ID(12bit的虚拟局域网识别号)的以太网帧进行解析，读取TSN帧格式的数据载荷Payload中的数据内容并写入接收异步FIFO模块；

3)接收异步FIFO模块对接收的Payload进行缓存；

4)数据处理模块从接收异步FIFO模块中读取Payload数据并根据CAN FD总线格式进行处理，或对从采样同步模块接收的数据进行处理后写入发送异步FIFO模块；

5)采样同步模块以串行方式发送和接收CAN FD总线数据，发送异步FIFO模块对接收的CAN FD总线数据进行缓存；

6)TSN封包模块从发送异步FIFO模块中读取CAN FD总线数据并封装成TSN帧格式发送到以太网；

7)CRC模块对接收的CAN FD总线数据进行校验，接收过滤模块对接收的CAN FD总线数据进行滤波验收；

通过上述步骤，实现CAN FD总线与TSN通信的交换。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果：

基于本发明提供的方法，采用数字硬件电路的方法，以FPGA或者ASIC芯片的形式，可以实现CAN FD总线与时间敏感网络的互联互通。在解决CAN FD本身传输速率有限、数据传输量较小等问题的同时，充分发挥时间敏感网络的优势，在保证数据传输量的同时，提高了数据通信的时间确定性。

附图说明

图1是本发明实施例中CAN FD与TSN帧结构转换的示意图；

其中，Preamble为TSN帧格式的前导码，SOF为TSN帧格式的帧起始，DA为TSN帧格式目的地址，SA为TSN帧格式源地址，VLAN为TSN帧格式的4字节VLAN标签，Length为TSN帧格式的帧长度，Payload为TSN帧格式的数据载荷，FCS为TSN帧格式的4字节校验字段。在本发明中，CAN FD总线中除帧起始的其他字段均封装在TSN帧格式的Payload中，通过TSN网络进行确定性传输。

图2是本发明实施例中CAN FD与TSN交换装置的结构框图；

其中，TSN解包模块对接收的符合VLAN ID的以太网帧进行解析，读取TSN帧格式的数据载荷Payload中的数据内容并写入接收异步FIFO模块，接收异步FIFO模块对接收的Payload进行缓存，数据处理模块从接收异步FIFO模块中读取Payload数据并根据CAN FD总线格式进行处理，或对从采样同步模块接收的数据进行处理后写入发送异步FIFO模块，采样同步模块以串行方式发送和接收CAN FD总线数据，发送异步FIFO模块对接收的CAN FD总线数据进行缓存，TSN封包模块从发送异步FIFO模块中读取CAN FD总线数据并封装成TSN帧格式发送到以太网，CRC模块对接收的CAN FD总线数据进行校验，接收过滤模块对接收的CAN FD总线数据进行滤波验收。

具体实施方式

下面将结合附图说明本发明的具体实施方案。以下实施例或附图用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明提供一种CAN FD总线与TSN通信的交换装置与实现方法，通过一种交换结构实现传统工业中的CAN FD总线与时间敏感网络的互联互通，可以将CAN FD总线的数据并入时间敏感网络中，在不破坏原有控制总线结构的情况下，提高数据传输速率和数据传输量，并且提高了数据通信的时间确定性。

本实施例提供一种CAN FD与TSN交换架构及实现方法，包括TSN封包/解包模块、接收/发送异步FIFO模块、数据处理模块、采样同步模块、CRC模块及接收过滤模块，所述TSN解包模块、发送异步FIFO模块、数据处理模块、采样同步模块依次进行电连接；所述采样同步模块、CRC模块与接收滤波模块、数据处理模块、接收异步FIFO模块、TSN封包模块依次进行电连接。

本发明提供的CAN FD与TSN交换架构及实现方法可采用FPGA进行实现，TSN解包模块接收TSN以太网帧，帧结构包括7字节前导码、1字节帧起始符、6字节MAC目的地址、6字节MAC源地址、4字节VLAN标识符、2字节帧长度、CAN FD协议报文以及4字节CRC校验码。如图1所示为本发明实施例中CAN FD与TSN帧结构转换；其中，Preamble为TSN帧格式的前导码，SOF为TSN帧格式的帧起始，DA为TSN帧格式目的地址，SA为TSN帧格式源地址，VLAN为TSN帧格式的4字节VLAN标签，Length为TSN帧格式的帧长度，Payload为TSN帧格式的数据载荷，FCS为TSN帧格式的4字节校验字段。在本发明中，CAN FD总线中除帧起始的其他字段均封装在TSN帧格式的Payload中，通过TSN网络进行确定性传输。

图2所示是本发明实施例中CAN FD与TSN交换装置的结构；其中，TSN解包模块对接收的符合VLAN ID的以太网帧进行解析，读取Payload中的数据内容并写入接收异步FIFO模块，接收异步FIFO模块对接收的Payload进行缓存，数据处理模块从接收异步FIFO模块中读取Payload数据并根据CAN FD总线格式进行处理，或对从采样同步模块接收的数据进行处理后写入发送异步FIFO模块，采样同步模块以串行方式发送和接收CAN FD总线数据，发送异步FIFO模块对接收的CAN FD总线数据进行缓存，TNS封包模块从发送异步FIFO模块中读取CAN FD总线数据并封装成TSN帧格式发送到以太网，CRC模块对接收的CAN FD总线数据进行校验，接收过滤模块对接收的CAN FD总线数据进行滤波验收。具体包括：

TSN解包模块根据VLAN字段判断报文协议类型，并对接收以太网帧进行CRC校验，若符合条件则将CAN FD协议报文写入发送异步FIFO模块，并通知数据处理模块协议报文写入完毕。

数据处理模块接收到协议报文写入完毕信号后从发送异步FIFO模块读取报文协议，并通过外接电平转换电路发送到总线，同时通过采样同步模块对总线进行监测，保证数据发送正确。

CAN FD协议报文可分为四种类型，CAN标准帧、CAN扩展帧、CAN FD标准帧、CAN FD扩展帧，其中CAN标准帧和CAN扩展帧均支持数据帧和远程帧，CAN FD标准帧和CAN FD扩展帧仅支持数据帧，因此数据处理模块需对此四种帧结构进行甄别。采样同步模块监测总线，将监测数据发送到数据处理模块，数据处理模块根据四种帧类型进行相应的数据处理，同时帧ID过滤和CRC校验，若均满足条件，则将接收协议报文写入接收异步FIFO，并通知TSN封包模块读取报文数据。

TSN封包模块收到读取数据通知后从接收异步FIFO读取报文数据，并将协议报文组装成TSN以太网帧进行发送。时间敏感网络中允许周期性和非周期性数据在同一网络中传输，且高优先级帧具有打断低优先级帧的特点，因此可以对CAN FD协议报文的优先级进行配置，保证CAN FD协议的传输的实时性和确定性。由于CAN FD协议报文不含有时间戳信息，在TSN封包模块进行组帧时需添加当前时间戳信息，满足IEEE 802.1AS规范。

由于TSN网络的速率远大于CAN FD总线的速率，因此从CAN FD总线接收报文后向TSN网络转发时不用考虑是否存在冲突或者报文覆盖的问题。TSN以太网帧向CAN FD总线转发时会因此TSN网络速率过高产生数据覆盖的问题，TSN解包模块会对接收以太网帧进行流量控制，保证帧数据的完整性。

以上所述实施例仅为本发明优选示例性实施例，并不用于限制本发明。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，所作的任何修改、等同替换、改进能，均包含再本发明的保护范围之内。