控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network，CAN)總線是Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車控制設(shè)備與測(cè)試儀器之間數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，主要用于各種設(shè)備的檢測(cè)及控制。目前，CAN總線被廣泛應(yīng)用于汽車等交通運(yùn)輸工具、工業(yè)控制、智能樓宇、機(jī)械工業(yè)、醫(yī)療器械、傳感器等領(lǐng)域，被稱為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，但其主要缺點(diǎn)是不適合遠(yuǎn)距離傳輸。以太網(wǎng)接口開始是為了連接實(shí)驗(yàn)室的多個(gè)計(jì)算機(jī)設(shè)備，開發(fā)的快速連接方式。隨著傳輸速率的提高和交換技術(shù)的使用，以太網(wǎng)的確定性和實(shí)時(shí)性得到了保證，工業(yè)以太網(wǎng)的安全性和網(wǎng)絡(luò)生存性也得到了很大程度的提高。使其在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前計(jì)算機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用與各個(gè)操控領(lǐng)域，而計(jì)算機(jī)常用的連接端口就是以太網(wǎng)，只要接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，并安裝好必要的軟件，計(jì)算機(jī)就可以介入到各個(gè)控制系統(tǒng)中去。因此，為了提高效率，有必要采用技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)通過以太網(wǎng)接口使計(jì)算機(jī)融入CAN網(wǎng)絡(luò)，把以太網(wǎng)的遠(yuǎn)距離傳輸性與CAN的專業(yè)性結(jié)合起來(lái)，優(yōu)勢(shì)組合。

1 芯片選擇
1．1 CP2200芯片介紹
    CP2200芯片是Sificon Labs公司推出的工業(yè)界體積最小、性能最高、8位總線控制的以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)芯片，支持IEEE802·3以太網(wǎng)媒體訪問MAC控制協(xié)議，支持10BASE／T物理層，完全兼容100／1 000 BASE T網(wǎng)絡(luò)，可以工作在全雙工或半雙工模式，能進(jìn)行自動(dòng)極性檢測(cè)和糾正，具有碰撞自動(dòng)重發(fā)功能，能自動(dòng)填充和生成CRC，支持廣播和多播。CP2200內(nèi)部帶有2 k字節(jié)的發(fā)送緩存和4 k字節(jié)的接收緩存，還有8 k字節(jié)的內(nèi)部Flash存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)用戶常數(shù)、Web服務(wù)器內(nèi)容，它的最后6個(gè)存儲(chǔ)單元是工廠預(yù)編程的唯一48位MAC地址。此芯片采用48管腳的TQFP封裝，工作的溫度范圍在-40～+85℃，可為具有11個(gè)以上I／O引腳的微處理器擴(kuò)展以太網(wǎng)通信功能。此芯片具有30 Mb／s速率的并行主機(jī)接口，支持Intel和Motorola兩種總線方式。
    CP2200的多種集成功能(如CRC校驗(yàn)、數(shù)據(jù)濾波等)有效減輕了單片機(jī)的載荷，它內(nèi)部的收發(fā)接口單元操作起來(lái)靈活方便，為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包提供了有效緩沖。使用該芯片時(shí)，電路只需增加1個(gè)RJ-45快速以太網(wǎng)接口即可，其工作特性可以滿足CAN總線的傳輸波特率要求。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．2 C8051F040芯片介紹
    C8051F系列單片機(jī)是Silicon Labs公司推出的系統(tǒng)級(jí)芯片，具有與80C51兼容的CIP-51內(nèi)核。C8051F040內(nèi)部集成的CAN控制器包括1個(gè)CAN內(nèi)核、消息RAM(獨(dú)立于CIP-51內(nèi)核)、消息處理單元、控制寄存器等。C8051F040內(nèi)部包含1個(gè)CAN協(xié)議控制器，并沒有提供物理層的驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)與CAN總線的接口。數(shù)據(jù)接收和濾波都由CAN控制器完成，不需要CIP-51內(nèi)核的參與。這種方式可使CAN通信時(shí)占用的系統(tǒng)資源最小。CIP-51內(nèi)核通過配置其內(nèi)部的特殊功能寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN的數(shù)據(jù)交互。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)電路如圖3所示，由CP2200、C8051F040、CAN驅(qū)動(dòng)芯片的SN65HVD230等組成。其中CP2200與HR911105A組成以太網(wǎng)電路部分，SN65H-VD230單個(gè)組成CAN收發(fā)電路。工作原理如下，當(dāng)CP2200收到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)時(shí)，觸發(fā)C8051F040的INTO，C8051F040把數(shù)據(jù)從CP2200的接收緩沖區(qū)拷貝到其內(nèi)存空間，然后通過SN65HVD230轉(zhuǎn)發(fā)到CAN網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)CAN數(shù)據(jù)有要發(fā)送到以太網(wǎng)，C8051F040收到數(shù)據(jù)后，就向CP2200的發(fā)送緩沖區(qū)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，最后由CP2200通過HR911105A發(fā)到以太網(wǎng)。

2．1 以太網(wǎng)部分電路
    CP2200通過HR9011105A連接到以太網(wǎng)上。HR9011105A是HanRun公司生產(chǎn)的集以太網(wǎng)隔離變壓器、RJ-45接口和指示燈為一體的網(wǎng)絡(luò)連接器。CP2200的收發(fā)信號(hào)分別連接到HR9011105A的收發(fā)針腳，同時(shí)前者的LED控制信號(hào)LINK、ACK也都接到后者相應(yīng)針腳。其中，LINK是連接成功指示燈，ACK是數(shù)據(jù)傳輸指示燈。CP2200與C8051F040的連接，首先數(shù)據(jù)和地址總線、讀寫信號(hào)相連接，其次CP2200的中斷引腳INT與C8051-F040的INT0引腳連接在一起，其片選CS陣腳接C8051F040的A15腳。CP2200的發(fā)送緩沖區(qū)地址為0x0000～0x07FF，接收緩沖區(qū)地址前部分與發(fā)送緩沖器重合，具體地址為0x0000～0x0FFF。當(dāng)A15為低電平(CS也為低)時(shí)，C8051F040就選中CP2200，即CP2200的內(nèi)部地址空間0x0000～0x0 FFF的外部映射地址為0x8000～0x8FFF。
    CP2200發(fā)送數(shù)據(jù)包：通過使用自動(dòng)寫(AutoWrite)寄存器將數(shù)據(jù)裝載到發(fā)送緩沖區(qū)，并向內(nèi)部存儲(chǔ)器TXGO寫1來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)包。一旦發(fā)送完成，會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)包已發(fā)送中斷，通知C8051F040。CP2200接收數(shù)據(jù)包：當(dāng)MAC接收被使能且接收緩沖區(qū)未滿時(shí)，包接收會(huì)自動(dòng)進(jìn)行。一旦收到數(shù)據(jù)包，就會(huì)產(chǎn)生包接收中斷通知主機(jī)。主機(jī)可以用自動(dòng)讀(AutoRead)接口讀取數(shù)據(jù)包。
2．2 CAN部分電路
    C8051F040已經(jīng)集成CAN控制器，電路只需1個(gè)CAN總線收發(fā)器。這里使用TI公司的SN65HVD230收發(fā)器。由于SN65HV230收發(fā)器具有強(qiáng)電磁干擾下寬共模電壓范圍的差動(dòng)接收能力、交叉線保護(hù)、過熱保護(hù)、失地保護(hù)、過壓保護(hù)等卓越特性，所以設(shè)計(jì)中省去了高速光耦6N137以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，如果需要增強(qiáng)抗干擾能力，也可在C8051F040和SN65HV230之間增加2個(gè)高速光耦6N137，以滿足CAN的高速率通信。在CANH與CANL引腳各串聯(lián)1個(gè)5 Ω電阻與總線相連以起到限流作用。

3 軟件設(shè)計(jì)及協(xié)議轉(zhuǎn)換
    在充分遵循以太網(wǎng)和CAN協(xié)議的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)軟件程序，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)與CAN數(shù)據(jù)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換與轉(zhuǎn)發(fā)。在本設(shè)計(jì)中，CAN與以太網(wǎng)都采用接收中斷，把數(shù)據(jù)包先存入緩沖區(qū)，然后進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)接收時(shí)，不允許接收新的數(shù)據(jù)和中斷，直到數(shù)據(jù)完全接收后，才將接收緩沖區(qū)釋放。在數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，先確認(rèn)發(fā)送緩沖區(qū)空閑才寫入數(shù)據(jù)。由于兩者都有內(nèi)部的發(fā)送和接收緩沖區(qū)，主程序的主要任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)以及通訊的握手協(xié)議。若定義，由CAN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，稱為上行通訊；由以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)為CAN數(shù)據(jù)，稱為下行通訊。
相對(duì)于CAN總線的傳輸速率，本電路的以太網(wǎng)傳輸速率要高10倍，緩沖區(qū)大小也差很多。因此在下行通訊中，需要完成CAN數(shù)據(jù)的拆包和重新打包任務(wù)，屬較慢的操作，采用定時(shí)查詢方式發(fā)送。在上行通訊中，直接轉(zhuǎn)發(fā)CAN接收到CP2200發(fā)送緩沖區(qū)。
3．1 CAN總線程序
    1)CAN總線發(fā)送任務(wù)  當(dāng)以太網(wǎng)有新的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給CAN時(shí)，主程序通知此任務(wù)運(yùn)行。讀出CP2200接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)到內(nèi)存緩沖區(qū)，然后分成不大于8字節(jié)的數(shù)據(jù)包，增加CAN協(xié)議包頭，送入C8051F040的發(fā)送緩沖區(qū)。
    此任務(wù)耗時(shí)最長(zhǎng)。CAN發(fā)送任務(wù)收到主程序的運(yùn)行通知，開始讀取CP2200的接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)到內(nèi)存，然后采用查詢發(fā)送方式，把數(shù)發(fā)送到C8051F040的發(fā)送緩沖區(qū)。在查詢過程中，如果C8051F040正處于發(fā)送中，將任務(wù)等待10 ms，然后再查詢一次，直到發(fā)送成功。
    2)CAN總線接收任務(wù)  當(dāng)CAN有數(shù)據(jù)接收，則將數(shù)據(jù)直接送人CP2200的發(fā)送緩沖區(qū)，并通知其工作。此任務(wù)很少占用時(shí)間。在轉(zhuǎn)發(fā)過程中，由于CAN每次數(shù)據(jù)只有8字節(jié)，而CP2200的發(fā)送緩沖區(qū)有2 K，CP2200的發(fā)送不影響CAN的接收。所以CAN接收中斷只需在本程序?qū)AN數(shù)據(jù)送入CP2200的發(fā)送緩沖區(qū)后就可打開。
3．2 以太網(wǎng)程序模塊
    以太網(wǎng)接口模塊主要實(shí)現(xiàn)CP2200的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，主要包括初始化函數(shù)、幀發(fā)送函數(shù)和幀接收函數(shù)。
    1)CP2200的初始化模塊  CP2200的初始化是進(jìn)行CP2200寄存器的配置。CP2200占用C8051F040的外部RAM的地址，外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)被設(shè)置在高端口(端口47)，EMIFLE(XBR2·1)位被設(shè)置為0。然后依次進(jìn)行下面的設(shè)置：配置端口引腳的輸出方式為推挽方式；配置對(duì)應(yīng)EMIF引腳的端口鎖存器為休眠態(tài)，設(shè)置為邏輯‘1’；選擇地址線和數(shù)據(jù)線的非復(fù)用方式；選擇存儲(chǔ)器模式為不帶塊選擇的分片方式：設(shè)置與片外存儲(chǔ)器或外設(shè)接口的時(shí)序。初始化時(shí)按以下步驟進(jìn)行：等待復(fù)位引腳電平升高；MCU通過中斷請(qǐng)求信號(hào)得到振蕩器是否完成初始化；MCU查詢INT0來(lái)確定CP2200自身的初始化是否完成；禁止那些主處理器不監(jiān)視或不處理的事件的中斷；初始化物理層；用IOPWR寄存器使能所需要的活動(dòng)(Ack)、連接(Link)LED；初始化媒體訪問控制器(MAC)；配置接收過濾器。
    2)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的發(fā)送接收模塊  C8051F040的外部中斷0和定時(shí)器0用于TCP／IP協(xié)議棧。由于C8051F040的處理速度、內(nèi)部集成的資源有限，而TCP／IP協(xié)議種類繁多，不可能集成所有的TEP／IP協(xié)議，所以，使用裁剪后的TCP／IP協(xié)議。結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際需要，本設(shè)計(jì)中裁剪后的協(xié)議棧包括IP協(xié)議、ARP協(xié)議、ICMP協(xié)議、TCP協(xié)議。由于TCP協(xié)議是基于連接的協(xié)議，在正式收發(fā)數(shù)據(jù)前，必須和對(duì)方經(jīng)過3次對(duì)話，建立可靠的連接，而且當(dāng)數(shù)據(jù)從A端傳到B端后，B端會(huì)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)包給A端，所以，TCP協(xié)議適用于對(duì)可靠性要求較高的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。而UDP協(xié)議是面向非連接的協(xié)議，不與對(duì)方建立連接，直接就把數(shù)據(jù)包發(fā)送過去，當(dāng)數(shù)據(jù)從A端傳到B端后，B端不會(huì)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)包給A端，此協(xié)議適用于對(duì)可靠性要求不高的通信系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)應(yīng)用于在線數(shù)字識(shí)別系統(tǒng)，可靠性要求高，所以，該系統(tǒng)采用了TCP協(xié)議。

4 結(jié)束語(yǔ)
    本文描述了一種CAN數(shù)據(jù)與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)原理與電路構(gòu)成。創(chuàng)新點(diǎn)在于：電路設(shè)計(jì)使用高度集成化的網(wǎng)絡(luò)接口芯片CP2200和集成CAN控制器的C8051F040，在不降低效率的同時(shí)，有效地節(jié)省空間與資源。在遵循CAN與以太網(wǎng)協(xié)議的基礎(chǔ)上，通過通訊的握手協(xié)議和簡(jiǎn)化的以太網(wǎng)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)與CAN數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，順利地解決了以太網(wǎng)的高速性與CAN的低速率，以及兩者數(shù)據(jù)包之間的大小矛盾，能夠保證數(shù)據(jù)的完整和協(xié)議的可靠。本轉(zhuǎn)換器可廣泛應(yīng)用于廠礦、油田等監(jiān)控設(shè)施的改進(jìn)。