CAN總線到Ethernet網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)研究實(shí)現(xiàn)

引言

CAN總線是一種開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的控制系統(tǒng)局域網(wǎng)絡(luò)，是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域中最具有應(yīng)用前景的技術(shù)之一。由于CAN總線具有通信速率高、開放性好、報(bào)文短、糾錯(cuò)能力強(qiáng)以及控制簡(jiǎn)單、擴(kuò)展能力強(qiáng)、系統(tǒng)成本低等特點(diǎn)，越來越受到人們的關(guān)注。以太網(wǎng)具有快速、靈活、方便、可靠的特長，如果把現(xiàn)場(chǎng)總線與以太網(wǎng)互聯(lián)的話，可實(shí)現(xiàn)過程控制中從設(shè)備層到管理層的一體化，使得企業(yè)可以廣泛地應(yīng)用如互聯(lián)網(wǎng)、無線通信、智能設(shè)備和決策支持系統(tǒng)等新技術(shù)，以達(dá)到提高效率和降低成本的目的。

硬件設(shè)計(jì)

硬件選擇
要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備接入Internet，關(guān)鍵就是要實(shí)現(xiàn)TCP/IP 協(xié)議、以及傳輸信息介質(zhì)的選擇。筆者用SX52微控制器作為處理器， 以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)芯片RTL8019AS經(jīng)耦合隔離濾波器HR61101G和RJ45接口接入以太網(wǎng)，配有RS232和CAN總線兩個(gè)擴(kuò)展接口，可以將具有RS232接口的設(shè)備或采用CAN總線協(xié)議通信的設(shè)備連到以太網(wǎng)上。RS232接口采用MAX232CPE芯片，CAN總線控制器采用Philips公司的SJA1000芯片，CAN收發(fā)器采用PCA82C250芯片。硬件結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

圖1 　硬件結(jié)構(gòu)框圖
工作原理為:當(dāng)以太網(wǎng)中發(fā)送數(shù)據(jù)和請(qǐng)求，通過RJ45送到RTL8019AS，RTL8019AS 負(fù)責(zé)將處理后的以太網(wǎng)幀送入SX52的TCP/IP協(xié)議棧，由協(xié)議棧對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行解析，得到原始的請(qǐng)求和控制信息。請(qǐng)求和控制信息再經(jīng)過SJA1000進(jìn)行CAN協(xié)議格式的數(shù)據(jù)封裝，然后和現(xiàn)場(chǎng)的CAN總線設(shè)備進(jìn)行通信。請(qǐng)求和控制的回復(fù)信息到局域網(wǎng)的過程與上面正好相反。

硬件電路圖
在CAN到Ethernet網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)中，在確保通信功能順利實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，充分利用了SX52芯片I/O口靈活配置的特點(diǎn)，最大程度地節(jié)約了微控制器SX52的硬件資源。其電路簡(jiǎn)圖見圖2。

圖2 　電路簡(jiǎn)圖

SX52有5個(gè)I/O口共40個(gè)引腳，在設(shè)計(jì)中利用SX52的C口的RC0～RC7連接RTL8019AS的數(shù)據(jù)口SD0～SD7，SX52的B口兼顧選址和讀寫控制功能，在開發(fā)中用它與RTL8019AS 的地址及讀寫控制引腳連接。RTL8019AS 基地址選擇引腳IOS0～ IOS3接地，此時(shí)I/O基地址為300H，即001100000000，所以地址線SA9、SA8接+ 5V。又因?yàn)榧拇嫫鞯刂菲屏繛?0H～1FH 共32個(gè)，對(duì)應(yīng)地址從300H到31FH，所以只需將地址線SA0～SA4接SX52 的RB0～RB4，其余地址線接地即可。芯片IORB、IOWB引腳為讀寫信號(hào)線，接SX52的RB6、RB5讀寫控制引腳。RTL8019AS 可以兼容8位和16位操作。圖2中IOCS16是16位I/O的選擇腳，當(dāng)RTL8019AS上電復(fù)位的時(shí)候，如果這個(gè)腳為低電平，選擇8位模式，為高電平選擇16位模式。由于SX52是8位的數(shù)據(jù)總線，因此要用8位總線模式，所以將這個(gè)腳接地。RTL8019AS有3種工作方式，筆者采用第一種工作方式，此時(shí)JP 引腳接高電平。AUI引腳決定使用AUI還是BNC接口。高電平時(shí)使用AUI 接口，低電平時(shí)使用BNC接口，支持8線雙絞線或同軸電纜。設(shè)計(jì)中采用雙絞線為通信介質(zhì)，將該引腳接地。RTL8019AS 使用引腳TPIN+ 、TPIN- 、TPOUT+和TPOUT-連接耦合隔離濾波器HR61101G，通過RJ45插頭實(shí)現(xiàn)與以太網(wǎng)的連接。SJA1000是獨(dú)立的CAN 通信控制器， 支持CAN2.0B協(xié)議。它的AD0～AD7為地址數(shù)據(jù)復(fù)用線，與SX52的D口RD0～RD7相連。當(dāng)遠(yuǎn)程用戶通過Web服務(wù)器查詢現(xiàn)場(chǎng)的CAN總線數(shù)據(jù)時(shí)，SJA1000將現(xiàn)場(chǎng)控制單元的CAN 總線數(shù)據(jù)解析，發(fā)送到SX52，再傳到Internet。PCA82C250對(duì)總線提供發(fā)送能力并對(duì)CAN控制器提供接收能力，它支持1Mbps的速度。為保證SX52與SJA1000協(xié)同工作，在硬件設(shè)計(jì)中將兩個(gè)芯片共用一個(gè)硬件復(fù)位線，以確保SX52與SJA1000硬件同步復(fù)位。MAX232CPE完成232電平與TTL電平轉(zhuǎn)換。用于提供一個(gè)本地接口，為調(diào)試和維護(hù)提供方便。TXD接SX52的RA2腳，RXD接SX52的RA3腳，RS—RXD和RS—TXD是RS232電平，為標(biāo)準(zhǔn)串口電平。數(shù)據(jù)可以從串口輸入到單片機(jī)SX52，SX52再把數(shù)據(jù)送到RTL8019AS。

網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)

　　整個(gè)互聯(lián)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可以分為3個(gè)部分:CAN總線設(shè)備接口通信程序、網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序和基于以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議的程序?qū)崿F(xiàn)。

網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序
網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序的整體設(shè)計(jì)思路為:當(dāng)以太網(wǎng)應(yīng)用層有數(shù)據(jù)要發(fā)送到CAN節(jié)點(diǎn)時(shí)，首先，數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，由以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊從UDP數(shù)據(jù)報(bào)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，再調(diào)用CAN 控制器協(xié)議模塊將它發(fā)送到CAN 總線上。反過來，當(dāng)CAN 設(shè)備有數(shù)據(jù)要發(fā)送到用戶層時(shí)，首先數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，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(yīng)用層數(shù)據(jù)封裝發(fā)送到以太網(wǎng)應(yīng)用層。

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、寫程序，初始化程序和發(fā)送、接收程序5 個(gè)子程序組成。之所以要編寫單獨(dú)的SJA1000寄存器讀、寫子程序，這是由SX52 芯片只有I/O端口的特點(diǎn)所決定的。

(1) 讀SJA1000 寄存器子程序CANRead()其過程為:Re引腳設(shè)為輸出；CS片選清零；Rd引腳設(shè)為輸出；輸出地址；置位ALE；延時(shí)20 ns ；ALE位清零；Rd 引腳設(shè)為輸入；/Read 位清零；讀入數(shù)據(jù)；延時(shí)20ns ；/Read 位置位；CS片選置位；返回。

(2) 寫SJA1000寄存器子程序CANWrite()其過程為:Re引腳設(shè)為輸出；CS片選清零；置位ALE；Rd 引腳設(shè)為輸出；輸出地址；ALE位清零；/wr位清零；輸出數(shù)據(jù)；延時(shí)20ns；CS片選置位； 返回。

(3) SJA1000初始化子程序CANInit()選用CAN2.0A協(xié)議構(gòu)建CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)，對(duì)SJA1000的初始化主要完成控制寄存器CR、驗(yàn)收代碼寄存器ACR、驗(yàn)收屏蔽寄存器AMR、總線定時(shí)寄存器BTR0，1和輸出控制寄存器OCR的設(shè)置。

(4) 發(fā)送接收子程序txdsub()，rxdsub()發(fā)送子程序負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)報(bào)文的發(fā)送，由CAN控制器SJA1000獨(dú)立完成。主控制器SX52只需將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)A中已按CAN2.0A協(xié)議格式組合成的一幀報(bào)文送入SJA1000 發(fā)送緩沖區(qū)中，然后將命令寄存器里的發(fā)送請(qǐng)求標(biāo)志置位，即可發(fā)送報(bào)文。

接收子程序負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)報(bào)文的接收。SJA1000自動(dòng)接收發(fā)往該節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并將收到的數(shù)據(jù)放到它的接收緩沖器中。SJA1000 的報(bào)文接收主要有兩種方式:中斷接收方式和查詢接收方式。該系統(tǒng)采用查詢接收方式?？梢园l(fā)送給主控制器SX52的接收信息由狀態(tài)寄存器的接收緩沖器狀態(tài)標(biāo)志RBS和接收中斷標(biāo)志RI 標(biāo)出。SX52將會(huì)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，再通知總調(diào)度程序，由總調(diào)度程序調(diào)用以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)發(fā)。

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(fù)責(zé)從UDP數(shù)據(jù)包中解析出完整CAN協(xié)議報(bào)文，存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)A。同時(shí)，將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)B中的完整CAN協(xié)議報(bào)文封裝成UDP數(shù)據(jù)報(bào)后發(fā)送到以太網(wǎng)上。采用UDP協(xié)議是考慮到CAN 協(xié)議數(shù)據(jù)報(bào)為短幀形式(每個(gè)數(shù)據(jù)幀最多為8個(gè)字節(jié))，因?yàn)門CP協(xié)議要進(jìn)行3次握手建立連接，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)來說無疑是一種資源的浪費(fèi)。而UDP是無連接的傳輸，這樣可以提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，同時(shí)，也減輕網(wǎng)關(guān)的處理任務(wù)。當(dāng)然，UDP是不可靠的傳輸協(xié)議。為了提高通信的可靠性，在應(yīng)用層建立回傳校驗(yàn)機(jī)制，通過實(shí)驗(yàn)
測(cè)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)換模塊主要由若干個(gè)ARP、UDP協(xié)議的API函數(shù)組成。

TCP/IP應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)
基于以太網(wǎng)的高層通信協(xié)議一般采用TCP/IP協(xié)議。這里采用流行的SOCKET套接字編程，傳輸層協(xié)議選擇UDP(用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議)，通過VisualC++編寫應(yīng)用層程序。WinSock提供了對(duì)UDP的支持，通過UDP協(xié)議可以向指定IP 地址的網(wǎng)關(guān)發(fā)送CAN 協(xié)議數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以從它接收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(jiǎn)單，首先生成一個(gè)本地套接口，然后利用int CAsyncSocket : : SendTo ( constvoid 3 1pBuf ， int nBufLen ， UINT nHostPort ， LPCTSTR1pszHostAddress = NULL ，int nFlags = 0) 發(fā)送數(shù)據(jù)，intCAsyncSocket : : ReceiveFrom ( void 3 1pBuf ， int nBufLen ，CString & rSocketAddess ，UINT & rSocketPort ， intnFlags = 0) 接收數(shù)據(jù)。利用UDP 協(xié)議發(fā)送和接收都可以是雙向的，即管理主機(jī)和SX52網(wǎng)關(guān)都可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在程序設(shè)計(jì)中，創(chuàng)建了一個(gè)CAsyncSocket 派生類CCanSocket ，該派生類CCanSocket 有若干成員函數(shù)，通過這些類成員函數(shù)，可以很方便地實(shí)現(xiàn)CAN總線到Internet 的通信。

結(jié)　論

　　隨著Internet技術(shù)的日益成熟測(cè)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)將漸漸融合。CAN總線到Internet的互聯(lián)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)研究是一項(xiàng)具有重要意義的工作，它有非常廣闊的應(yīng)用前景。