摘 要： 研究了以太網(wǎng)和CAN總線間的互聯(lián)技術。通過分析以太網(wǎng)和CAN總線的網(wǎng)絡模型，給出了實現(xiàn)以太網(wǎng)和CAN總線互聯(lián)的核心設備——Ethernet/CAN網(wǎng)關的模型結(jié)構(gòu)，并在此模型的基礎上給出了基于ARM7微處理器的網(wǎng)關硬件設計方案和軟件流程。
關鍵詞： CAN 以太網(wǎng) 網(wǎng)關 設計
現(xiàn)場總線（Field Bus）在工業(yè)控制領域得到了廣泛的應用。而以太網(wǎng)(Ethernet)以其廉價和開放的特點成為最普及的局域網(wǎng)技術，它是構(gòu)筑互聯(lián)網(wǎng)的基礎?，F(xiàn)場總線通信數(shù)據(jù)量小，可靠性高。而以太網(wǎng)通信數(shù)據(jù)量大，速度快。10M/100M的以太網(wǎng)目前已經(jīng)非常成熟。將以太網(wǎng)作為信息傳遞的主干網(wǎng)，連接現(xiàn)場總線和其他高級設備的新型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)是工業(yè)控制網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢。
在這種新的工業(yè)控制網(wǎng)絡中，以太網(wǎng)不僅是主干網(wǎng)，而且可與現(xiàn)場總線相互交換數(shù)據(jù)。所以工業(yè)控制網(wǎng)絡不僅可以深入到控制現(xiàn)場的各種設備，還可以借助互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的遠程調(diào)試和故障診斷。要將現(xiàn)場總線接入以太網(wǎng)，關鍵是設計以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線間的網(wǎng)關，從而實現(xiàn)2個網(wǎng)絡間的數(shù)據(jù)傳輸。
不同的現(xiàn)場總線，因其通信協(xié)議不同，需要設計不同的網(wǎng)關。本文主要討論目前在現(xiàn)場總線中應用較多的CAN(Control Area Network)總線和以太網(wǎng)間網(wǎng)關(Ethernet/CAN Gateway)的設計。其網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1 網(wǎng)關的模型
Ethernet/CAN網(wǎng)關連接的是2個通信協(xié)議和結(jié)構(gòu)完全不同的網(wǎng)絡。對于Ethernet/CAN網(wǎng)關來說，它的工作實際上是對信息重新封裝以使它們能夠被Ethernet或CAN網(wǎng)所讀取。為了完成這項任務，網(wǎng)關必須能運行在OSI模型的幾個層次上。下面先討論OSI和Ethernet以及 CAN的網(wǎng)絡模型。
OSI是國際標準化組織（International Standardization Organization，ISO)為實現(xiàn)開放系統(tǒng)互連而建立的模型，其目的是為異種計算機間的互連提供一個共同的基礎和標準框架，并為保持相關標準的一致性和兼容性提供共同的參考。OSI參考模型如圖2所示。
OSI模型共有7層。每一層的功能都是獨立的，而且利用下一層所提供的功能為上一層服務。物理層是第1層，應用層是第7層。每層的具體功能和定義可以參閱有關書籍。在OSI模型中，1～3層為底層，實現(xiàn)傳輸功能。網(wǎng)絡和終端都具備此功能。4～7層為高層，實現(xiàn)通信處理，通常用網(wǎng)絡終端來實現(xiàn)。Ethernet和CAN的網(wǎng)絡模型都只支持OSI所定義的7層結(jié)構(gòu)中的一部分，在某些層次上,其定義也有所不同。
Ethernet中沒有與OSI模型中的會話層和表示層相對應的層次。Ethernet網(wǎng)絡模型如圖3所示。其中數(shù)據(jù)鏈路層的定義和OSI模型有所不同，它由邏輯鏈路控制（LLC）和介質(zhì)訪問控制（MAC）2個子層組成。LLC的主要功能是對數(shù)據(jù)報的封裝和拆裝。MAC的主要功能是控制對傳輸介質(zhì)的訪問。
嚴格說來，標準CAN總線只支持OSI模型中最低的2層。和Ethernet一樣，在數(shù)據(jù)鏈路層也分為邏輯鏈路控制子層和介質(zhì)訪問控制子層2個部分。但具體定義和Ethernet中的定義有所不同。由于CAN總線并沒有定義應用層，因此用戶可以自己定義應用層的協(xié)議。
對于網(wǎng)關來說，它必須能夠讀取和發(fā)送Ethernet和CAN網(wǎng)上的數(shù)據(jù)。因此，它必須具備CAN以及Ethernet所定義的網(wǎng)絡層次。通過對Ethernet和CAN網(wǎng)絡模型與OSI模型的對比與分析，可以得到Ethernet/CAN網(wǎng)關的基本模型結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
在網(wǎng)關模型中，與Ethernet和CAN網(wǎng)絡連接部分的各層的定義與Ethernet和CAN網(wǎng)絡模型中所定義的相同。不同的是在Ethernet應用層的位置，定義了一個管理協(xié)議層。Ethernet和CAN網(wǎng)絡之間的信息傳遞就是在該層實現(xiàn)的。網(wǎng)關的管理協(xié)議層包含了Ethernet應用層和對CAN總線站點的管理。
2 網(wǎng)關的實現(xiàn)
通過前面的討論，得到了網(wǎng)關的基本模型。對于它的實現(xiàn)，有2種較常用的方法：一種是采用設計專用集成電路的方法。這種設計方法的優(yōu)點是網(wǎng)關的速度快，可靠性高，但設計復雜度高，開發(fā)周期長。另一種方法是采用通用型微處理器并配備一定的外圍電路來構(gòu)造硬件平臺。通過在該平臺上所運行的程序來實現(xiàn)網(wǎng)關的功能。本文采用后一種實現(xiàn)方式。
根據(jù)網(wǎng)關的功能，網(wǎng)關系統(tǒng)主要由3部分組成：CAN總線接口、協(xié)議處理單元和Ethernet接口。網(wǎng)關硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。很明顯，協(xié)議處理單元是網(wǎng)關硬件的核心，它的主要部分是通用微處理器，主要完成CAN總線到以太網(wǎng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換。因此通用微處理器的性能決定了網(wǎng)關實時性的優(yōu)劣。
協(xié)議處理單元中的通用微處理器在設計中采用ARM公司的ARM7TDMI 32位RISC處理器。它含有3級流水線，采用單一的32位數(shù)據(jù)總線傳送指令和數(shù)據(jù)，因此有很優(yōu)越的性能。Ethernet接口電路采用臺灣Realtek公司生產(chǎn)的以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS來實現(xiàn)。RTL8019AS本身包含了Ethernet網(wǎng)絡模型中最低2層。而CAN總線接口電路中采用的是應用比較廣泛的CAN總線控制芯片SJA1000。網(wǎng)關硬件框圖如圖6所示。其中，為了提高抗干擾性，CAN接口電路中加入了光電隔離電路。網(wǎng)關運行的程序和相應的參數(shù)的設置通過RS232接口電路完成。
網(wǎng)關硬件框圖中與網(wǎng)關模型中的CAN總線物理層和數(shù)據(jù)鏈路層相對應的是CAN物理接口電路和CAN控制器SJA1000。網(wǎng)關模型中Ethernet物理層和數(shù)據(jù)鏈路層與硬件框圖中的以太網(wǎng)控制器相對應。網(wǎng)關模型中其他部分由ARM處理器件中所運行的軟件來實現(xiàn)。
網(wǎng)關軟件的工作流程圖如圖7所示。當連接在CAN總線上的現(xiàn)場設備向連接在Ethernet上的監(jiān)控計算機發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)首先通過網(wǎng)關上的CAN總線接口電路送到CAN總線控制芯片SJA1000。SJA1000向ARM處理器發(fā)出中斷請求。如果此時ARM處理器正在執(zhí)行其他優(yōu)先級較高的任務，數(shù)據(jù)就暫時存儲在SJA1000的緩存中。當ARM處理器執(zhí)行完任務后，響應中斷，從SJA1000中將數(shù)據(jù)取出。通過管理協(xié)議層中所對應的程序，提取需要傳送的數(shù)據(jù)，然后再對該數(shù)據(jù)分別添加TCP和IP層所需要的信息。ARM處理器通過并行總線將經(jīng)過封裝的數(shù)據(jù)發(fā)送給以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS。RTL8019AS自動給這些數(shù)據(jù)添加以太網(wǎng)物理層和邏輯鏈路層所需要的相關信息，然后再通過物理接口傳送到以太網(wǎng)上。這時監(jiān)控計算機就可以通過機器的網(wǎng)卡接收到從CAN總線上的設備所傳遞的數(shù)據(jù)。反之，當監(jiān)控計算機向CAN總線網(wǎng)中的現(xiàn)場設備發(fā)送數(shù)據(jù)時，它首先通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關上的以太網(wǎng)控制器RTL8019AS。同樣也是采用中斷的方式，ARM處理器響應中斷后，通過讀取RTL8019AS中的相關寄存器來判定是否收到數(shù)據(jù)。對于新收到的數(shù)據(jù)，將其從RTL8019AS的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中取出。在提取其中實際要傳送的數(shù)據(jù)后，再將數(shù)據(jù)封裝成CAN總線能夠識別的數(shù)據(jù)格式，通過CAN總線控制器發(fā)送到CAN總線網(wǎng)中相應的現(xiàn)場設備。以上是對網(wǎng)關工作流程的基本描述。ARM處理器響應中斷后，實際上是分別都調(diào)用了CAN和Ethernet通信子程序。以太網(wǎng)的TCP和IP層所包含的TCP/IP協(xié)議是一個非常大的協(xié)議族，因受到網(wǎng)關硬件資源的限制，設計中對TCP/IP協(xié)議族進行了簡化。
3 結(jié)束語
Ethernet/CAN網(wǎng)關是以太網(wǎng)為主干網(wǎng)的新型工業(yè)控制網(wǎng)絡的核心設備。本文對該網(wǎng)關的模型進行了討論，并根據(jù)該模型給出了網(wǎng)關的硬件和軟件框圖。使用性能更高的處理器或采用專用集成電路設計技術將進一步提高網(wǎng)關的性能。
參考文獻
1 鄭建彬.以太網(wǎng)和CAN現(xiàn)場總線網(wǎng)間的嵌入式網(wǎng)關設計. 信息技術，2002；(1)
2 鄧先成.LAN/Field Bus網(wǎng)關設計.西北工業(yè)大學碩士學位 論文，2001
3 鄔寬明.CAN總線原理和應用系統(tǒng)設計.北京：北京航天航 空大學出版社，1996
4 周立功.單片機與TCP/IP綜合應用技術.廣州周立功單片機發(fā)展有限公司，2003
5 王田苗.嵌入式系統(tǒng)設計與實例開發(fā)——基于ARM微處理器與 μC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng).北京：清華大學出版社，2002