CAN与光纤通道网关的设计与实现

武华　石海洋　杨媛媛

摘要：为了解决采用CAN总线的子系统接入航电主干网FC网络的问题，提出了一种CAN/FC网关设计方案。通过对两种网络的分析和研究，设计了两者协议转换的方法，描述了网关模块的工作流程，讨论了实时性的设计。通过验证表明，该设计能够完成CAN网络和FC网络的互联，满足系统要求。

关键词：CAN；FC；网关；协议转换

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）12-0049-03

Design and Implementation of CAN/FC GateWay

WU Hua， SHI Hai-yang， YANG Yuan-yuan

（Aeronautical Computing Technique Research Institute，Xian 710065，China）

Abstract： In order to solve the problem by using CAN bus subsystem access avionics backbone FC network，the paper proposed a design scheme of CAN/FC gateway. Through the analysis and research on the two kinds of network， designs a methods of protocol conversion based on the them， describes the work flow of gateway module， discusses the design of the real-time. Experiments show that， the proposed design， can complete the interconnection of CAN network and FC network， can meet the system requirements.

Key words： CAN；FC；gateway；protocol conversion

CAN总线最初主要应用于汽车内部测量和执行部件之间的数据通信。随着CAN总线相关技术的日趋成熟，以及车载平台与机载平台在某些方面的相似性，其在航空领域的应用逐渐得到重视，近年来已经开始把CAN总线应用到飞机上[1]。

光纤通道（Fibre Channel，FC）协议具有高速率、低延迟、低位错率，能够很好地满足新型航空电子互连系统的要求，已成为航空电子统一网络的主要候选协议。

在航电系统中，FC网络作为主干通信网络，用于连接各航电子系统，但在某些子系统内，仍采用CAN总线协议传输，因此需要设计一种用于CAN/FC转换的网关，将这些子系统接入到航电主干网络。本文通过对CAN网络和FC网络协议及数据帧的分析，提出一种CAN/FC网关的设计方法，讨论了转发的实时性设计，完成了FC与CAN的协议数据转换。

1 CAN与FC协议分析

1.1 CAN总线

CAN的通讯速率最高可达1Mbps，传输采用帧结构（0-8字节）。在CAN2.0B的版本协议中，有两种不同的帧格式，不同之处为标识符域的长度不同，含有11位标识符的帧称之为标准帧，而含有29位标识符的帧称之为扩展帧。无论是哪种帧格式，在报文传输时都有四种不同类型的帧：数据帧、错误帧、远程帧、过载帧，本文只对标准数据帧的处理进行描述。

1.2 光纤通道协议

针对FC技术用于航空电子领域的需求，FC-AE提出一种上层协议FC-AE-ASM，该协议用于支持航空电子应用的处理器、传感器和显示器之间确定、安全、低延迟的通信[2]。本文所描述的FC网络即采用FC-AE-ASM进行数据传输。FC协议共分为5层，具体见表1[3]。

表1 FC协议分层结构

[FC-4＼&定义了光纤通道的应用接口，规定了上层协议到光纤通道的映射＼&FC-3＼&对物理和信号（FC-PH）层以上的高层协议提供了一套通用的公共通信服务＼&FC-2＼&规定了节点间的数据传输方式，以及帧格式、帧序列、通信协议和服务分类＼&FC-1＼&规定了传输协议，包括串行编码和解码规则以及差错控制＼&FC-0＼&规定了连接的物理特性，如传输介质、传输方式和速率＼&]

在光纤通道的FC-2层中，定义了帧的标准格式，每个帧标准长度为2148B，其中包括：帧起始标志SOF、帧结束标志EOF、CRC校验码、FC帧头以及数据信息，FC帧的格式定义如图1所示。

FC-AE-ASM协议是ASM协议到FC的映射，要求Tpye字段为0x49，并且将ASM协议头映射到FC帧的数据字段中。FC-AE-ASM协议中，每条消息都有唯一的消息ID，根据消息ID来标识数据的内容。FC-AE-ASM的帧格式如图2所示。

1.2.1 网关协议转换分析

为了将CAN网络接入FC网络，顺利实现两者的信息交流，必须用网关连接起来，完成两者协议或数据之间的转换，也就是将传输信息重新封装且满足目标网络协议的要求。CAN与FC网关必须能够接收和发送两个网络上的数据。CAN网络参考ISO模型，自上而下分为三层：应用层、数据链路层和物理层，因此针对两者网络的分层模型，在应用层完成CAN网络和FC网络的数据交换即可实现网关功能，如图3所示。

CAN与FC数据的转换需要通过分析各自的帧结构，提取重要信息，设计转换协议，实现两种网络的数据交换。包括CAN到FC的转换与FC到CAN的转换。两者通过网关进行数据传输的示意图如图4所示。

首先定义用于CAN和FC进行转换的ASM消息ID及其属性，消息ID作为FC-AE-ASM接收的唯一标识，在FC网络配置时，确定用于封装CAN数据的消息ID，以便收到该消息的节点进行对应的处理。

由于CAN数据载荷最大为8字节，FC-AE-ASM数据载荷最大为2096字节。因此从CAN到FC的数据转换相对简单，将CAN信息存放在FC-AE-ASM帧的数据字段，定义要转发的CAN数据、标识符、帧格式、保留字等内容。当网关接收到CAN数据时，将CAN信息按照上述格式填充到FC-AE-ASM帧的数据字段，发送到FC网络中。具体定义如图5所示。

从FC到CAN的转发相对复杂，FC消息的载荷最大为2096字节，可以存放多帧CAN数据，考虑到CAN的速率和CAN设备的数目等因素，设计最多转发256字节的CAN数据，并在FC消息中定义CAN数据实际长度，标识符、帧类型等内容，封装在FC-AE-ASM数据字段的CAN信息定义如下。

当网关接收到FC消息时，首先从FC-AE-ASM帧的数据字段读取CAN数据的实际长度，如果大于8个字节，按照一帧8个字节的方式，计算CAN的帧数目，并封装CAN数据，分为多次发送出去，CAN标识符ID按照约定递增。具体流程如图7所示。

1.2.2 设计与验证

1）CAN/FC网关模块设计

本文研制的CAN/FC网关模块，提供FC光接口及CAN总线接口，实现FC与CAN总线数据的转换工作。模块采用FPGA设计，实现FC协议处理，FC-MAC、MGT及CAN接口控制等功能，FPGA具备协处理器硬核，用于完成CAN/FC协议转换的软件处理工作，外接光电收发器实现FC光电信号转换。CAN网络接口由CAN控制器SJA1000和CAN收发器SM1050组成。CAN/FC网关模块功能框图如图8所示。

通过协处理器，对CAN和FC接口进行初始化，设置速率、帧格式、帧类型、校验码、过滤码等参数，设置FC消息的ASM消息ID、S_ID、D_ID等参数。

MGT单元和光电收发器实现FC-1和FC-0层定义的串并转换、8B/10B编码和物理层功能[4]。

CAN转FC的过程中，CAN数据从总线上接收上来后，进入CAN控制器的接收缓冲区，协处理器的软件通过查询，判断CAN的接收缓冲区是否有数据，如果有数据，读取CAN数据信息，再根据FC发送管理逻辑判断FC缓冲是否有空闲，如果有空闲，将CAN数据封装到FC消息的数据中，然后将组织好的FC消息内容写入FC发送缓冲区，发送缓冲区采用环形缓冲机制，缓冲区大小为4K字节；数据写入后，更新FC发送管理逻辑状态。FC发送控制逻辑响应发送缓冲区状态变化，按照先进先出的队列读取方式，将当前发送缓冲区中的数据帧取出提交给FC MAC，并更新发送缓冲区状态。最终FC数据帧由MGT经光电转换后发送至FC网络。

FC转CAN的过程中，FC接收控制逻辑负责响应并接收FC数据帧，将FC帧写入FC接收缓冲区，接收缓冲区采用环形缓冲机制，缓冲区大小为4K字节；待FC帧接收完成，将状态通知FC接收管理逻辑，并报中断给协处理器，协处理器收到FC接收中断，从当前FC接收缓冲区将FC数据取出，提取CAN的相关信息，判断CAN数据实际长度，如果需要分帧，按照上一章节规则进行处理，将组织好的CAN数据写入CAN控制器的发送缓冲，并通知其发送到CAN网络。

2）实时性设计

CAN/FC网关在应用环境中的典型场景为，FC网络按照应用任务规划，以不同的周期通过网关向CAN网络发送数据，并且CAN网络按照最小周期监控数据，对转发时间要求较高。CAN网络则是在有数据时，通过网关向FC网络传递信息，且时间要求较低。因此协处理器软件在CAN/FC转换时，需要考虑两者的速率相差较大和封装数据多少的问题。FC速率至少为1Gbps，CAN最高为1Mbps，且从FC网络转CAN时，最多可以携带256字节的CAN数据，转发时，数据量不同时间不同。

从CAN网络到FC时，数据内容长度固定，转换可以及时处理。但从FC到CAN的转换时，面临如下问题。为了保证及时转发数据，降低延时，采用中断接收FC数据。当任务周期重合时，会在短时间内突发接收到大量FC数据帧，可能引起丢失中断，因此在处理FC接收中断时，需将FC接收缓冲中的数据读空，将已收到的FC数据全部转换为CAN数据发出去，从而保证高的响应速度和低延迟的转发传输。

3）验证环境

模拟实际应用环境，搭建验证平台，将CAN测试设备的数据通过CAN/FC网关模块，基于FC协议数据帧封装，通过FC光纤链路，经过FC专用测试设备，发送到FC功能节点。FC功能节点按照应用任务周期，向CAN/FC网关模块发送FC消息，网关提取有用信息、重新组织CAN消息，并发送到CAN总线上，CAN测试设备接收。经测试CAN的接收时间满足应用要求。验证环境如图9所示。

2 结束语

本文在深入分析CAN协议和FC协议的基础上，对CAN/FC网关协议转换的数据封装进行设计，结合网关模块的设计，描述了网关工作的流程，并对实时性的设计进行了探讨。将网关连接到实际网络上，长时间连续工作，数据在两种网络中传递，没有出现数据丢失，且延时满足系统的要求，进一步验证了该设计的可行性和可靠性。

参考文献：

[1] 冯源，豆海利.CAN总线在航空领域应用的探讨[J].航空工程进展， 2011，2（2）：231-235.

[2] 丁凡，宋丽茹，熊华钢.FC-AE-ASM 网络数据发送控制算法研究[J].电子与信息学报，2009，31（6）：1509-1512.

[3] 沙永忠，冯巧宁，刘明，等.光纤通道航电总线数据采集器设计[J].测控技术，2014， 33（3）：106-109.

[4] 朱志强.基于光纤通道的LVDS 图像传输技术研究[J].光通信技术，2013（6）：48-51.