1 概述
在工廠、變電站、智能大廈等大型企業(yè)自動化系統(tǒng)中,如 圖1(a) 所示,在上層企業(yè)管理層和生產(chǎn)監(jiān)控層采用的都是以太網(wǎng)和PC機,而在下層車間、現(xiàn)場都是采用現(xiàn)場總線（如RS-485、CAN、 lonWorks、基金會等）和單片機測控設(shè)備。上下兩層的溝通,通常采用工業(yè)控制機加以太網(wǎng)卡,再加上PC機插槽上的接口卡或并行打印口的EPP接口卡來實現(xiàn)。這種連接方式成本高,開發(fā)周期長,接口卡成為系統(tǒng)上下兩層的通信瓶頸,一旦出現(xiàn)故障,上下兩層的聯(lián)系就告中斷。為此,如 圖1(b) 所示,我們利用廉價的“網(wǎng)絡(luò)通”組成基于單片機的以太網(wǎng)-CAN網(wǎng)關(guān)取代昂貴的工控機加接口卡,成功地實現(xiàn)了以太網(wǎng)和現(xiàn)有CAN總線網(wǎng)的直接連接,實現(xiàn)管理監(jiān)控層（以太網(wǎng)）和生產(chǎn)測控層（CAN總線網(wǎng)）之間的連接。上下層數(shù)據(jù)能方便地進行交流。
圖1 兩種分布式自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較
更重要的一點在于,現(xiàn)在成熟、穩(wěn)定、廉價的以太網(wǎng)已經(jīng)普及深入到了工廠、車間、大樓等基層。在大型企業(yè)自動化系統(tǒng)中,沒有必要再采用現(xiàn)場總線和兩級結(jié)構(gòu),可直接利用廉價的以太網(wǎng)接口模塊“網(wǎng)絡(luò)通”,將各種測控設(shè)備直接接入以太網(wǎng),形成現(xiàn)代化的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。
2 以太網(wǎng)-CAN網(wǎng)關(guān)的組成原理
在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中,我們利用“網(wǎng)絡(luò)通”組成基于單片機的以太網(wǎng)-CAN網(wǎng)關(guān),結(jié)構(gòu)組成如 圖 2 所示。“網(wǎng)絡(luò)通”由以太網(wǎng)接口A和微處理器組成。在此基礎(chǔ)上增加CAN接口B就組成了以太網(wǎng)-CAN 網(wǎng)關(guān)。
圖2 基于“網(wǎng)絡(luò)通”的以太-CAN 網(wǎng)關(guān)
（1） 以太網(wǎng)接口A
以太網(wǎng)接口A可選用符合IEEE802.3協(xié)議的10Base-T通用接口芯片,如 UM9003、RTL8019等,完成與以太網(wǎng)在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的連接。使用 RJ-45插口,可以直接掛接到以太網(wǎng)上。
（2） 微處理器
微處理器負責(zé)對以太網(wǎng)接口A芯片和CAN接口B芯片進行控制。微處理器內(nèi)駐有 TCP/IP通信協(xié)議和CAN協(xié)議,完成以太網(wǎng)協(xié)議和CAN總線協(xié)議轉(zhuǎn)換,實現(xiàn)接口 A和接口B通信數(shù)據(jù)的透明傳輸。
由于CAN總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大,數(shù)據(jù)傳輸速率不高,遠小于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率,所以在以太網(wǎng) -CAN接口模塊中,數(shù)據(jù)的傳送瓶頸在CAN接口B。在測控領(lǐng)域,通常傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大,對數(shù)據(jù)傳輸速率要求也不高,于是,在此模塊中微處理器可選用通常的單片機如 8031等。
（3） CAN接口B
CAN接口B采用了飛利浦的CAN物理層和鏈路層接口芯片SJA1000和 PCA82C250。微處理器直接控制SJA1000的AD0～AD7、、、ALE、RST 和腳。SJA1000的MODEL腳接高電平,工作在Intel模式下;片選腳接地,始終處于選通狀態(tài),如 圖 3 所示。微處理器對 SJA1000的操作主要是對寄存器的操作：一方面對SJA1000的模式寄存器（MOD）、命令寄存器（CMR）、狀態(tài)寄存器（SR）、中斷寄存器（ IR）、中斷允許寄存器（IEP）、總線定時寄存器（BTR0、 BTR1）、輸出控制寄存器（OCR）、時鐘分頻計數(shù)器（CDR）進行設(shè)置和檢測; 另一方面對收發(fā)緩沖區(qū)進行讀寫,從而和CAN設(shè)備交換數(shù)據(jù)。
圖3 以太網(wǎng)-CAN 接口原理圖
圖 4 是微處理器對SJA1000進行初始化、讀、寫的流程圖。微處理器將以太網(wǎng)送來的命令通過向SJA1000寫,來傳送給CAN測控設(shè)備;反過來,又將向SJA1000讀取CAN 測控設(shè)備的測量值或狀態(tài),通過以太網(wǎng)發(fā)送出去。
圖4 微處理器CAN接口原理圖
3 以太網(wǎng)-CAN網(wǎng)關(guān)的主要特性
網(wǎng)絡(luò)分布式控制需要有開放式、數(shù)字化、多點通信的控制網(wǎng)絡(luò),基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)分布式控制系統(tǒng)能夠廣泛應(yīng)用自動化系統(tǒng)說明了這點。使用以太網(wǎng)取代現(xiàn)場總線網(wǎng)不僅滿足這些需求,而且還有許多優(yōu)點。
① 不需要專門鋪設(shè)CAN通信網(wǎng)來進行設(shè)備之間的信息傳送,而是利用廣為存在的、廉價的、標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)來進行信息的傳送。組建這樣的測控網(wǎng)速度很快,理論上節(jié)點數(shù)沒有限,組網(wǎng)成本低, 維護也容易。
② 在數(shù)據(jù)傳送中,每臺測控設(shè)備的地址實際有“網(wǎng)絡(luò)通”的IP地址和CAN接口地址兩部分組成。在以太網(wǎng)中,CAN接口測控設(shè)備的CAN地址和數(shù)據(jù)一起作為“網(wǎng)絡(luò)通”通信中IP包的數(shù)據(jù)進行傳送。
③ 具有多主多從的高通信容量的特點;每幀有硬件CRC校驗,可靠性高;通信報文可大可小,效率很高;通信協(xié)議TCP/IP是全球統(tǒng)一的規(guī)范,容易連成不受地域限制的大控制網(wǎng)。
④ WWW（Word Wide Web）瀏覽器的人機界面友好易用,設(shè)備管理服務(wù)器一方面用瀏覽器檢測和控制以太網(wǎng)上不同設(shè)備,另一方面使用WWW發(fā)布方式向網(wǎng)絡(luò)客戶提供動態(tài)交互式瀏覽網(wǎng)頁。很容易實現(xiàn)調(diào)度生產(chǎn)管理系統(tǒng)或辦公自動化信息系統(tǒng)。
⑤ 由于通信數(shù)據(jù)包符合TCP/IP標(biāo)準(zhǔn),可以在Internet網(wǎng)上穿越交換機或路由器,遠程上網(wǎng)客戶只要用WWW瀏覽器就可方便地查詢各個智能設(shè)備狀態(tài)和實時遙控各個智能設(shè)備。
4 以太網(wǎng)-CAN網(wǎng)關(guān)接口模塊在自動測控系統(tǒng)的應(yīng)用
在我們設(shè)計改造的一個企業(yè)自控系統(tǒng)中,采用了圖 5 的方式。所有原有的CAN測控設(shè)備,有的是通過以太-CAN接口模塊直接接到企業(yè)以太網(wǎng)上,有的是仍通過CAN總線網(wǎng)連接到以太網(wǎng)上;而新增加的設(shè)備則直接利用以太網(wǎng)接口模塊接到以太網(wǎng)上,不再需要專門鋪設(shè)CAN通信網(wǎng)來進行設(shè)備之間的信息傳送。
圖5 基于以太網(wǎng)的分布式控制應(yīng)用系統(tǒng)框圖
在以太網(wǎng)上,所有的CAN測控節(jié)點組成一個虛擬網(wǎng)段。CAN設(shè)備管理服務(wù)器是企業(yè)以太網(wǎng)中的任一控制節(jié)點,連在以太網(wǎng)上的WIN NT服務(wù)器安裝專用網(wǎng)絡(luò)管理軟件就可讓合法的工程技術(shù)人員遠程管理CAN設(shè)備,通過以太網(wǎng)可同CAN設(shè)備進行數(shù)據(jù)通信。這樣以太網(wǎng)就可完全替代原來的CAN總線網(wǎng),同時,服務(wù)器使用WEB發(fā)布方式向網(wǎng)絡(luò)客戶提供動態(tài)交互式瀏覽網(wǎng)頁。
結(jié)束語
隨著工業(yè)自動化和辦公自動化的發(fā)展,在一些場合,分布式控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)越來越龐大,現(xiàn)場總線越來越受地域、鋪設(shè)成本、負載容量的限制。另一方面,靈活、方便,安全性、可靠性高的以太網(wǎng)飛速發(fā)展和因特網(wǎng)的普及,寬帶網(wǎng)已深入家庭、辦公室、旅店、工廠與車間,使人們在生活與工作的各個地點,都可通過互聯(lián)網(wǎng)來交換信息。在這種情況下,利用廉價的“網(wǎng)絡(luò)通”,利用互聯(lián)網(wǎng)取代現(xiàn)場總線,使原現(xiàn)場總線的分布式控制系統(tǒng)方便地轉(zhuǎn)換成為基于以太網(wǎng)的分布式控制系統(tǒng),將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。