摘? 要: 介紹了一種基于單片機SX52的CAN與以太" title="以太">以太網(wǎng)互連方案,闡述了以太網(wǎng)和CAN總線網(wǎng)絡協(xié)議轉(zhuǎn)換的軟硬件設計,實現(xiàn)了以太網(wǎng)與現(xiàn)有CAN總線網(wǎng)的直接連接。保證管理監(jiān)控層(以太網(wǎng))與生產(chǎn)測控層(CAN總線網(wǎng))之間的連接,使得上下層數(shù)據(jù)能方便地通信。

　　關鍵詞: 現(xiàn)場總線? CAN總線? 以太網(wǎng)

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　　在大型企業(yè)自動化系統(tǒng)中,上層企業(yè)管理層" title="管理層">管理層和生產(chǎn)監(jiān)控層一般都采用以太網(wǎng)和PC機,而下層車間現(xiàn)場則采用現(xiàn)場總線和單片機測控設備。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接口卡實現(xiàn)。這種連接方式成本高,開發(fā)周期長。針對這種情況,筆者設計一種單獨的CAN以太網(wǎng)網(wǎng)關互連系統(tǒng),成功地實現(xiàn)以太網(wǎng)與現(xiàn)有CAN總線網(wǎng)的直接數(shù)據(jù)互聯(lián)。

1 系統(tǒng)結(jié)構

　　系統(tǒng)總體結(jié)構分為三部分:現(xiàn)場測控網(wǎng)絡(CAN網(wǎng)絡)、嵌入式透明SX52網(wǎng)關、以太網(wǎng)信息管理終端(如監(jiān)控平臺和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫等),如圖1所示。

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　　CAN總線是一個設備互連總線型控制網(wǎng)絡。在CAN總線上可以掛接多達110個設備節(jié)點,各設備間可以自主相互通信,實現(xiàn)復雜網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。但設備信息層無法直接到達信息管理層,要想設備信息進入信息管理層需通過數(shù)據(jù)網(wǎng)關。嵌入式透明SX52網(wǎng)關就是為此而設計的。

????透明式網(wǎng)關在以太網(wǎng)應用層構建和解析完整的CAN協(xié)議數(shù)據(jù)包。CAN協(xié)議數(shù)據(jù)包作為TCP/IP" title="TCP/IP">TCP/IP網(wǎng)絡應用層的數(shù)據(jù)進行傳輸,它對通信數(shù)據(jù)的具體實際意義不做任何解釋。透明式網(wǎng)關由通信處理器、CAN總線控制器和以太網(wǎng)控制器" title="以太網(wǎng)控制器">以太網(wǎng)控制器三部分組成。其中SX52單片機為核心處理器,它實現(xiàn)了CAN控制網(wǎng)絡與以太網(wǎng)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。以太網(wǎng)信息管理層的控制指令發(fā)送到嵌入式透明SX52網(wǎng)關,將TCP/IP協(xié)議包數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CAN協(xié)議形式發(fā)送至CAN控制網(wǎng)絡中的指定設備節(jié)點,完成信息管理層對現(xiàn)場設備層的控制。同樣地,當CAN網(wǎng)絡上的設備數(shù)據(jù)(如定時采樣數(shù)據(jù)或報警信息)要傳輸?shù)叫畔⒐芾韺訒r,可將數(shù)據(jù)發(fā)送到嵌入式透明SX52網(wǎng)關,再通過網(wǎng)關協(xié)議轉(zhuǎn)換程序?qū)AN協(xié)議數(shù)據(jù)封裝成TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀發(fā)送至以太網(wǎng)上的監(jiān)控計算機。

　　以太網(wǎng)信息管理終端是一個根據(jù)用戶的具體要求而設計的用戶層應用軟件。它可以是一個WIN32監(jiān)控程序或網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫(記錄CAN節(jié)點設備數(shù)據(jù))軟件等;甚至可能是CAN節(jié)點設備的服務器軟件,為設備提供較復雜的數(shù)據(jù)處理工作。

2 硬件設計

　　系統(tǒng)硬件分為兩大部分:CAN總線網(wǎng)絡設備接口設計和嵌入式透明SX52網(wǎng)關設計。

2.1 CAN總線網(wǎng)絡設備接口設計

　　CAN總線網(wǎng)絡設備接口設計較網(wǎng)關設計簡單。它是在完成設備功能的基礎上加入一個CAN通信控制器接口芯片,實現(xiàn)與CAN總線網(wǎng)絡的連接?？紤]到開發(fā)成本和靈活性,筆者在設計中選用PHILIPHS公司的獨立CAN通信控制器SJA1000芯片和CAN總線收發(fā)器82C250芯片。其結(jié)構如圖2所示。

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2.2 嵌入式透明SX52網(wǎng)關設計

　　嵌入式透明網(wǎng)關設計是整個系統(tǒng)設計的核心。其結(jié)構如圖3所示。它由CAN控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊和以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊兩部分組成。網(wǎng)關硬件中SX52微處理器起核心作用。它是由美國Ubicom公司研制的高速可配置通信控制器,其處理速度相當高。在外接100MHz時鐘時,指令執(zhí)行速度可達100 MIPS。它可實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧中的ARP、IP、UDP、TCP、HTTP、SMTP、ICMP等網(wǎng)絡協(xié)議。

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　　CAN控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊硬件電路原理如圖3左框圖。它由三部分組成:微控制器SX52、獨立CAN通信控制器SJA1000、CAN總線收發(fā)器82C250。其中SX52為唯一的CPU核心,負責SJA1000的初始化,通過讀寫SJA1000內(nèi)部寄存器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送和錯誤處理等。PCA82C250則提供對總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接收能力。

　　以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊主要由微控制器SX52、以太網(wǎng)通信控制器RTL8019AS和隔離濾波器FB2002組成。RTL8019AS是臺灣Realtek公司制造的一種高集成度的全雙工10Mbps以太網(wǎng)控制芯片,實現(xiàn)了基于Ethernet協(xié)議的MAC層的全部功能,內(nèi)置16KB的SRAM、雙DMA通道和FIFO完成數(shù)據(jù)包的接收和發(fā)送功能。在網(wǎng)關設計中,使用跳線模式(JP置為高)硬配置RTL8019AS為8位模式。使用RTL8019的低5位地址線A0～A4以及低8位數(shù)據(jù)線D0～D7。SX52的B口的B0～B4腳作為地址線連接RTL8019AS的低5位地址線,B5~B7作為控制線分別連接讀寫時序控制腳IORB、IOWB、IOCHRDY;C口作為數(shù)據(jù)線連接RTL8019AS的低8位數(shù)據(jù)線;A口保留,用作日后擴展。圖3中AT24C64為8KB EEPROM,主要用來保存嵌入式透明SX-52網(wǎng)關的配置信息,如網(wǎng)關IP地址、MAC地址和SJA1000的ID網(wǎng)絡標示符、網(wǎng)絡掩碼AMR和總線定時(BTR0、BTR1)等。這樣,可以靈活方便地修改網(wǎng)關參數(shù),適應不同環(huán)境,同時也考慮到以后的擴展。

　　RTL8019AS除與SX52連接外,還將其網(wǎng)絡收發(fā)器的4根引腳TPOUT+、TPOUT-、TPIN+、TPIN-通過外接的隔離濾波器FB2002與以太網(wǎng)相連。采用隔離濾波器FB2002是為了提高網(wǎng)絡通信的抗干擾能力。

3 軟件設計

　　整個互聯(lián)系統(tǒng)的軟件設計可以分為三部分:CAN總線設備接口通信程序、透明網(wǎng)關協(xié)議轉(zhuǎn)換程序和以太網(wǎng)層應用程序設計。其中,CAN總線設備接口通信程序和透明網(wǎng)關協(xié)議轉(zhuǎn)換程序的CAN控制器協(xié)議模塊在結(jié)構上有較大的相似性,但有可能因采用微控制器不同而導致實現(xiàn)的程序語言相異。因而,在此不作論述,而主要討論后兩個方面的程序設計。

3.1 透明網(wǎng)關協(xié)議轉(zhuǎn)換程序

　　透明網(wǎng)關協(xié)議轉(zhuǎn)換程序的整體設計思路為:當以太網(wǎng)應用層有數(shù)據(jù)要發(fā)送到CAN節(jié)點時,首先,數(shù)據(jù)發(fā)送到透明網(wǎng)關由以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊從傳輸層數(shù)據(jù)報文中解析出完整的CAN協(xié)議數(shù)據(jù)包,存放在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)A,再通知總調(diào)度模塊,由它調(diào)用CAN控制器協(xié)議模塊將CAN協(xié)議數(shù)據(jù)包發(fā)送到CAN總線上。反過來,當CAN設備有數(shù)據(jù)要發(fā)送到用戶層時,首先,數(shù)據(jù)發(fā)送到透明網(wǎng)關由CAN控制器協(xié)議模塊將完整的CAN協(xié)議數(shù)據(jù)包存放在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)B,再通知總調(diào)度模塊,由它調(diào)用以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊將完整的CAN協(xié)議數(shù)據(jù)包作為應用層數(shù)據(jù)封裝起來,再發(fā)送到以太網(wǎng)的應用層。其程序結(jié)構如圖4所示。

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3.1.1 CAN控制器協(xié)議模塊

CAN控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊程序主要由SJA1000的寄存器讀程序CANRead()、寫程序CANWrite()、初始化程序CANInit()、發(fā)送程序txdsub()、接收程序rxdsub()程序組成。之所以要編寫單獨的SJA1000的寄存器讀、寫子程序" title="子程序">子程序,這是由SX52芯片只有I/O端口決定的。

　　選用CAN2.0A協(xié)議構建CAN總線控制網(wǎng)絡,對SJA1000的初始化主要完成控制寄存器CR、驗收代碼寄存器ACR、驗收屏蔽寄存器AMR、總線定時寄存器BTR0,1和輸出控制寄存器OCR的設置。初始化完成后,由總調(diào)度模塊監(jiān)控SJA1000控制器。當CAN總線上有數(shù)據(jù)到達時,它調(diào)用接收子程序rxdsub(),把這一幀數(shù)據(jù)包存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)B中,然后釋放接收緩沖器。同樣,當有按CAN2.0A協(xié)議格式組合成的一幀數(shù)據(jù)報文在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)A中要發(fā)送到CAN總線上去時,總調(diào)度模塊將調(diào)CAN發(fā)送子程序txdsub()發(fā)送。

3.1.2 以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊

　　以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊主要負責從UDP數(shù)據(jù)包中解析出完整CAN協(xié)議報文,存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)A。同時,可能將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)B中的完整CAN協(xié)議報文封裝成UDP數(shù)據(jù)報,然后將其發(fā)送到以太網(wǎng)上。

　　在通信傳輸層采用UDP協(xié)議是考慮到CAN協(xié)議數(shù)據(jù)報為短幀形式(每個數(shù)據(jù)幀最多為8字節(jié))。如果采用TCP傳輸協(xié)議,要傳輸8字節(jié)CAN協(xié)議數(shù)據(jù),要先通過3次握手建立連接,再傳輸數(shù)據(jù),之后還要通過握手釋放連接。這樣傳輸效率對有限的網(wǎng)絡資源來說無疑是一種浪費。而UDP是無連接的傳輸,可以提高網(wǎng)絡傳輸效率,同時,也減輕網(wǎng)關的處理任務。當然,UDP傳輸協(xié)議是不可靠的,對于控制網(wǎng)絡來說,是不允許的。為了提高通信的可靠性,采用了回傳校驗機制。通過實驗測試表明這種方式是行之有效的。

　　以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊主要由以太網(wǎng)卡驅(qū)動、ARP、UDP協(xié)議的若干個API函數(shù)組成,如NICInit()、NICDMAInit()、NICInitTxFrame()、NICSendTxFrame()、NICReadAgain()、ARPCheckIfIs()、ARPSendResponse()、ARPSendStPacket()、ICMPProcPktIn()、UDPAppInit()、IPGenCheckSum()、、UDPAppProcPktIn()、UDPStartPktOut()和UDPEndPktOut()等。所使用的變量有:remoteIP[3:0]、myIP[3:0]、UDPRxSrcPortMSB、UDPRxSrcPortLSB、UDPRxDataLenMSB、UDPRxDataLenLSB、UDPTxSrcPortMSB,UDPTxSrcPortLSB、UDPTxDestPortMSB、UDPTxDestPortLSB、DPTxDataLenMSB, UDPTxDataLenLSB等。

　　系統(tǒng)首次執(zhí)行或復位時,以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊將首先調(diào)用NICInit()和UDPAppInit()等進行NIC、ARP、IP、UDP和應用程序的初始化。初始化完成后,即進入主循環(huán)。在主循環(huán)中,SX52將反復檢測RTL8019AS是否接收以太網(wǎng)幀。當有數(shù)據(jù)被接收時,SX52調(diào)用NICDMAInit()和NICReadAgain()讀入以太網(wǎng)幀首部,再調(diào)用ARPCheckIfIs()判斷接收幀是否為ARP數(shù)據(jù)。若是ARP,則轉(zhuǎn)入ARPSendResponse()和ARPSendStPacket()子程序進行ARP處理并發(fā)送響應ARP數(shù)據(jù)報;若不是ARP,則判斷是否為IP數(shù)據(jù)報。若非IP數(shù)據(jù)報則清除該以太網(wǎng)幀;當所接收幀包含IP數(shù)據(jù)報時,則需進一步判斷是ICMP數(shù)據(jù)報還是UDP數(shù)據(jù)報文。若是ICMP數(shù)據(jù)報則執(zhí)行ICMPProcPktIn()子程序處理ICMP數(shù)據(jù)報并重發(fā)IP數(shù)據(jù)報;若數(shù)據(jù)為UDP數(shù)據(jù)報文,則調(diào)用UDPProcPktIn()子程序。該程序?qū)⒆x入UDP數(shù)據(jù)報文首部的數(shù)據(jù)并進行相應處理,還原出完整的CAN協(xié)議數(shù)據(jù)報文存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)B中,再通知總調(diào)度程序,由總調(diào)度程序調(diào)用CAN總線控制子程序?qū)AN協(xié)議數(shù)據(jù)報文發(fā)往CAN總線。

　　反過來,當總調(diào)度程序通知以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)B中準備好的CAN協(xié)議數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)上時,它將調(diào)用NICInitTxFrame()、UDPStartPktOut()、IPGenCheckSum()、IPStartPktOut()、NICSendTxFrame()、UDPEndPktOut()等子函數(shù)進行發(fā)送處理,從而實現(xiàn)CAN總線到以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸。

3.2 以太網(wǎng)層應用程序設計

　　以太網(wǎng)上的通信協(xié)議一般采用TCP/IP協(xié)議。本文采用流行的SOCKET套接字編程,傳輸層協(xié)議選擇UDP(用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議),通過Visual C++編寫用戶層程序。

　　WinSock提供了對UDP的支持,通過UDP協(xié)議可以向指定IP地址的透明網(wǎng)關發(fā)送CAN協(xié)議數(shù)據(jù),同時也可以通過它接收CAN協(xié)議數(shù)據(jù)。發(fā)送和接收方處于相同的地位沒有主次之分。利用CAsyncSocket類操縱無連接的數(shù)據(jù)發(fā)送較簡單。首先生成一個本地套接口(需要指明SOCK_DGRAM標記);然后利用 int CAsyncSocket::SendTo( const void* lpBuf, int nBufLen,UINT nHostPort, LPCTSTR lpszHostAddress = NULL,int nFlags = 0)發(fā)送數(shù)據(jù),int CAsyncSocket::ReceiveFrom(void* lpBuf,int nBufLen,CString& rSocketAddress,UINT& rSocketPort,int nFlags = 0 )接收數(shù)據(jù)。利用UDP協(xié)議可以使管理主機和SX52網(wǎng)關實現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)通信。同時,這種傳輸方式也易于使數(shù)據(jù)SX52網(wǎng)關透明化。

　　本文介紹了一種低成本、高可靠性、快捷的CAN總線與以太網(wǎng)互連方案。該互連方案保證管理監(jiān)控層與生產(chǎn)測控層之間的連接,方便了上下層信息交流,滿足工廠、變電站等工業(yè)場合的應用要求。

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參考文獻

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