CAN總線—PROFIBUS-DP總線網(wǎng)關的實現(xiàn)方法
在80年代中期，為了滿足不同自動化領域的應用需求，出現(xiàn)了擁有不同技術(shù)特點的現(xiàn)場總線。每一種現(xiàn)場總線都有自己的應用領域，并且都力圖拓展其應用領域，以擴張其技術(shù)壟斷范圍。但每種現(xiàn)場總線都以一個或幾個大型跨國公司為背景，公司的利益與總線的發(fā)展息息相關。這些公司競爭的結(jié)果是多種總線協(xié)調(diào)共存。據(jù)不完全統(tǒng)計,目前國際上有200多種現(xiàn)場總線,而其中占據(jù)市場主流的現(xiàn)場總線有十幾種[1]?，F(xiàn)場總線的多樣性，為總線設備用戶提供了更多產(chǎn)品選擇的同時，也為總線用戶帶了總線設備間兼容性問題。工廠在擴建，改建等過程中很可能會選用與原先現(xiàn)場設備總線標準不同的產(chǎn)品，這些設備由于使用不同的現(xiàn)場總線，彼此間不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，于是就降低了設備間功能互補的優(yōu)點。因此針對多種總線共存的客觀事實，探討如何解決不同現(xiàn)場總線系統(tǒng)的互聯(lián)有著重要的現(xiàn)實意義。本文主要研究PROFIBUS-DP[2]與CAN[3]兩種總線的協(xié)議轉(zhuǎn)換的原理，并設計出了一種網(wǎng)關實現(xiàn)了這兩種總線的互聯(lián)。
2 方案設計
對于兩個異構(gòu)的現(xiàn)場總線，其數(shù)據(jù)鏈路層和應用層協(xié)議是截然不同的，要實現(xiàn)它們的互聯(lián)，需要采用網(wǎng)關進行協(xié)議轉(zhuǎn)換。協(xié)議轉(zhuǎn)換在網(wǎng)關內(nèi)是按分層逐次進行的。網(wǎng)關將現(xiàn)場總線設備1發(fā)送來的數(shù)據(jù)在不同的協(xié)議層次進行解包，最終得到報文中的用戶數(shù)據(jù)。然后再按照現(xiàn)場總線協(xié)議2逐層打包，然后發(fā)送到現(xiàn)場總線2中的設備。
網(wǎng)關（gateway）是用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層以上層的網(wǎng)絡互聯(lián)設備，它相當于一個協(xié)議轉(zhuǎn)換器，可以是雙向的，也可以是單向的，用來連接不同協(xié)議的網(wǎng)絡。它不像網(wǎng)橋一樣要求數(shù)據(jù)鏈路層和應用層的協(xié)議完全一致。
通常見到的現(xiàn)場總線網(wǎng)關是單CPU結(jié)構(gòu)的，在這種結(jié)構(gòu)里，CPU要完成兩種總線信息的傳輸與控制，同時還要完成兩種總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換工作，該方案CPU負擔較重，控制復雜，軟件采用多重嵌套。這里提出了一種基于雙CPU結(jié)構(gòu)的網(wǎng)關設計方法，系統(tǒng)中的兩個CPU對兩種總線協(xié)議的數(shù)據(jù)各自進行處理與控制，并將需要傳遞的信息放在雙口RAM內(nèi)，實現(xiàn)信息共享與傳遞，這種方案容易控制，軟件簡單，同時減輕了CPU的負擔，增強了可靠性。
3 系統(tǒng)的硬件設計
系統(tǒng)的硬件根據(jù)功能可分為三大部分，一是CAN總線接口電路，完成CAN總線的數(shù)據(jù)收發(fā)與控制;二是PROFIBUS-DP總線接口電路，完成PROFIBUS總線數(shù)據(jù)的收發(fā)與控制;三是雙口RAM接口電路，用來完成兩種總線數(shù)據(jù)的交換。
3.1 CAN總線接口硬件結(jié)構(gòu)
CAN總線接口的整體硬件結(jié)構(gòu)如圖1。電路主要由四部分所構(gòu)成，微控制器89C52（1），獨立CAN通信控制器SJA1000，CAN總線收發(fā)器82C250和高速光電耦合器6N137。
89C52（1）負責SJA1000 的初始化，通過控制SJA1000 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務，同時還負責與PROFIBUS總線接口側(cè)的的數(shù)據(jù)交換，選擇89C52（1）作為CPU的主要是因為它不僅與CAN控制芯片SJA1000兼容，而且內(nèi)部集成8k flash RAM，可以滿足系統(tǒng)的存儲要求，不需要再外擴程序存儲器。
SJA1000為CAN總線控制器。它是一種獨立CAN 控制器，是PHILIPS公司的CA82C200 CAN控制器的替代產(chǎn)品，它在軟件和引腳上都保持了與PCA82C200的兼容。它具有BasicCAN和PeliCAN兩種工作方式,其中 BasicCAN是與PCA82C200兼容的方式;PeliCAN是擴展特性方式，支持具有很多新特性的CAN 2.0B協(xié)議。SJA1000的主要新功能有:標準結(jié)構(gòu)和擴展結(jié)構(gòu)報文的接收和發(fā)送;64 字節(jié)的接收FIFO;標準和擴展幀格式都具有單/雙接收濾波器含接收屏蔽和接收碼寄存器;可進行讀/寫訪問的錯誤計數(shù)器;可編程的錯誤報警限制;最近一次的錯誤代碼寄存器;每一個CAN 總線錯誤都可以產(chǎn)生錯誤中斷;具有丟失仲裁定位功能的丟失仲裁中斷;單發(fā)方式當發(fā)生錯誤或丟失仲裁時不重發(fā);只聽方式監(jiān)聽CAN 總線無應答無錯誤標志;支持熱插拔無干擾軟件驅(qū)動位速率檢測;硬件禁止CLKOUT輸出。
SJA1000的AD0-AD7連接到89C52（1）的P0口，CS 連接到89C52（1）的P2.7， P2.7為0的CPU片外存貯器地址可選中SJA1000，CPU通過這些地址可對SJA1000執(zhí)行相應的讀寫操作SJA1000的RD，WR，ALE 分別與89C52的對應引腳相連。
為了增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，SJA1000的TX0和RX0并不是直接與82C250的TXD和RXD相連，而是通過高速光耦6N137后與82C250相連，這樣就很好的實現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點間的電氣隔離
3.2 PROFIBUS-DP總線接口電路
PROFIBUS-DP總線接口的硬件電路也由四部分所構(gòu)成，微控制器89C52（2），PROFIBUS-DP通信控制器協(xié)議芯片SPC3，光耦 HCPL7101和6N137，RS485總線驅(qū)動電路。圖2為PROFIBUS-DP通信控制器到RS485總線驅(qū)動器的硬件電路圖。
89C52（2）主要負責控制SPC3，實現(xiàn)PROFIBUS-DP總線數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與共享。
SPC3已集成了PROFIBUS-DP物理層的數(shù)據(jù)收發(fā)功能，可獨立處理PROFIBUS DP協(xié)議，另外SPC3內(nèi)部還集成有1.5k的雙口RAM，作為SPC3與用戶程序之間的接口，并且AT89C52（2）可對SPC3內(nèi)部RAM訪問。
盡管SPC3已經(jīng)集成了物理層的數(shù)據(jù)傳輸功能，但它不具備RS-485的驅(qū)動接口，因此添加了RS-485的驅(qū)動電路。
另外為了避免總線上的信號對電路的影響，在SPC3與RS485總線驅(qū)動電路之間采用光電隔離。TxD、RxD信號的隔離器件選用Hewlett Packard公司的12M高速光耦HCPL710，RTS信號的隔離器件選用了6N137。
3.3 雙口RAM的接口電路
兩種總線數(shù)據(jù)的共享與傳遞是通過雙口RAM實現(xiàn)的，系統(tǒng)里選用了器件IDT7130。它是高速的1K雙口靜態(tài)RAM。該器件提供兩個獨立的端口，分別有獨立的控制、地址和I/O引腳，并允許獨立的異步讀寫訪問內(nèi)存的任何地址，自動的電源管理特性由CE控制，允許芯片上的每一個端口電路進入一個非常低的電源模式。IDT7130的片內(nèi)總線仲裁電路具有BUSY和INT兩種總線仲裁方式?；谒捎玫膯纹瑱C型號，在系統(tǒng)里采用了中斷仲裁方案，這種方式的工作原理是一個內(nèi)存地址（郵箱或者信息中心）被指派給每個端口。左端口的中斷標志被宣稱當右端口寫到內(nèi)存地址3FEH時，左端口通過訪問3FE內(nèi)存地址清除中斷。相似的，當左端口寫內(nèi)存地址3FFH時右端口標志被宣稱，為了清除這個中斷標志，右端口必須訪問內(nèi)存地址3FFH，系統(tǒng)里3FE和3FF兩個單元的內(nèi)容賦予新的內(nèi)涵，即定義兩個碼0FFH和00H。其中0FFH代表發(fā)送命令要求對方傳送數(shù)據(jù)，而00H代表發(fā)送的是對方所要求的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)里兩個CPU與雙口RAM的連接如圖3。雙口RAM的剩余的存儲單元被分為四大部分，其中0000H-00FFH這256個單元用來存儲CAN總線上傳來的數(shù)據(jù)或地址，并且相鄰的兩個單元用于存儲一個CAN子站的數(shù)據(jù)信息;0100H-01F9H這250個單元用來存儲PROFIBUS總線上傳來的數(shù)據(jù)或地址，相鄰的兩個單元用于存儲一個PROFIBUS子站的信息，另外03FCH單元用于存放CAN總線設備所要讀的PROFIBUS站點的ID號，03FDH單元用于存放PROFIBUS總線設備所要讀的CAN站點的ID號。
由圖可知雙口RAM在負責CAN總線通信的微處理器的映射地址為0x7C00H-0x7FFFH，在負責PROFIBUS總線通信的微處理器的映射地址為0x2C00H-0x2FFFH。
4 系統(tǒng)軟件設計
網(wǎng)關的軟件可
每側(cè)的程序根據(jù)功能又可以分為三個子模塊:協(xié)議芯片初始化程序，接受數(shù)據(jù)接受子程序，數(shù)據(jù)發(fā)送子程序。其中數(shù)據(jù)接受子程序考外部中斷觸發(fā)執(zhí)行。下面以網(wǎng)關的CAN總線接口側(cè)程序為例，列出程序流程圖，PROFIBUS側(cè)的接口程序與之相似，就不再贅述。
CAN總線側(cè)的初始化與發(fā)送程序流程如圖4:
因為SJA1000的初始化只有在復位模式下才可以進行，因此程序首先將SJA1000的中斷屏蔽，使它進入復位模式，然后對它進行初始化。初始化內(nèi)容主要包括工作方式的設置、接受濾波方式的設置、接受屏蔽寄存器和接受代碼寄存器的設置、波特率參數(shù)設置和中斷允許寄存器的設置等。 SJA1000完成初始化設置后，再讓它返回到工作狀態(tài)，進行正常的通信任務。
在接受子程序里，系統(tǒng)以查詢的方式接受CAN子站傳送過來的數(shù)據(jù)，網(wǎng)關通過接受緩沖區(qū)數(shù)據(jù)區(qū)的第一個字節(jié)的內(nèi)容判斷接受的是真正的數(shù)據(jù)，還是發(fā)給 PROFIBUS-DP站點的發(fā)送數(shù)據(jù)請求。如果數(shù)據(jù)區(qū)第一個字節(jié)是00H，則傳送的是數(shù)據(jù)信息，于是根據(jù)ID查表求得該站所對應的存儲單元，并將數(shù)據(jù)區(qū)的第二、三字節(jié)的內(nèi)容存在該單元內(nèi)，同時把ID放在7FFCH中，告訴對方發(fā)送數(shù)據(jù)的站點號;如果該字節(jié)內(nèi)容是FFH，則說明是發(fā)送數(shù)據(jù)請求，數(shù)據(jù)區(qū)第二個字節(jié)存放的是被要求發(fā)送數(shù)據(jù)的站點號，將他放入7FFCH內(nèi)即可。
CAN總線接口發(fā)送數(shù)據(jù)子程序流程圖如圖5:
上面的發(fā)送程序是由雙口RAM的中斷信號觸發(fā)的，收到中斷信號后，首先讀取7FFEH單元的內(nèi)容，將中斷信號消除，然后根據(jù)該單元的內(nèi)容，判斷雙口RAM內(nèi)存放的是數(shù)據(jù)，還是被要求發(fā)送數(shù)據(jù)的CAN子站的ID號。如果7FFEH內(nèi)容為00H,則說明所要發(fā)送到CAN子站的為正常的數(shù)據(jù)，于是將發(fā)送緩沖區(qū)的第一個字節(jié)設置為00H，告訴CAN子站發(fā)送的為數(shù)據(jù)，然后讀取7FFDH單元內(nèi)容，查表求得數(shù)據(jù)在雙口RAM中的地址，并從該地址取兩個字節(jié)存到SJA1000輸出緩沖區(qū)數(shù)據(jù)區(qū)的第二、三個字節(jié)，同時把7FFDH作為發(fā)送的ID號。如果7FFDH是FFH,則說明PROFIBUS- DP發(fā)送過來得是被要求發(fā)送數(shù)據(jù)的CAN子站的站點號，于是只要把它放到SJA1000發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)據(jù)區(qū)的第二個字節(jié)，并把第一個字節(jié)設為FFH，以通知 CAN站點，發(fā)送的數(shù)據(jù)為ID號。以上工作完成后，最后通過寫命令字發(fā)送數(shù)據(jù)。
5 結(jié)束語
實踐證明，雙CPU結(jié)構(gòu)的雙向網(wǎng)關可以很好地完成CAN總線到PROFIBUS-DP總線協(xié)議轉(zhuǎn)換的任務，并且解決了單CPU結(jié)構(gòu)網(wǎng)關中存在的數(shù)據(jù)傳輸速率低，數(shù)據(jù)傳輸可靠性差等問題，滿足了CAN總線與PROFIBUS-DP總線協(xié)議轉(zhuǎn)換的要求。它將CAN總線設備與PROFIBUS總線設備的連接起來，使兩種現(xiàn)場總線設備可以高效的通信，最終達到數(shù)據(jù)共享與功能互補的目的。并且工作人員在使用過程中不必關心兩種總線物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的全部內(nèi)容，給總線產(chǎn)品的研究開發(fā)帶來極大方便。另外這種雙CPU結(jié)構(gòu)的設計方案對其他現(xiàn)場總線之間的網(wǎng)關設計具有借鑒意義，是一種值得推廣的方法。
參考文獻
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